微波能作为一种“非接触式”的绿色加热技术被广泛地应用到化工过程之中,其独特的体加热、快速加热以及选择性加热特点使其在化工领域拥有巨大的应用前景。然而微波辅助化工反应过程中仍存在机理复杂、温度测量不准确、加热不均匀以及能量利用效率低等问题。本文利用数值模拟的手段探究微波辅助化工反应过程,有效地预测和监控复杂反应过程中的温度和电场等重要参数分布情况,通过搭建多物理场耦合数学模型,对本课题组开发的微波蒸馏反应装置进行模拟,探究其在微波辐射条件下的传热与流动过程。进一步利用鼓泡增强反应器内传热能力,提升温度均匀性,同时对腔体、波导以及反应器等参数进行优化,探究不同条件下的微波能量利用效率。首先搭建了微波辅助蒸馏/鼓泡反应器的物理和数学模型,并完成了多个物理场的耦合和解耦过程,将动量、质量和能量传输以源项方式耦合到多物理场模型中,利用文献中的实验结果与所建立的数学模型进行对比,验证模型的准确性。在此基础上,对于微波辅助蒸馏反应器,探究了蒸馏反应器中水负载在微波能辐射作用下从升温至沸腾的过程,阐明了在升温阶段,样品温度呈上下层分布,上层温度较高,下层温度较低,最大温差达20 K。反应器内自然对流的产生改善了温度分布的不均匀性;在沸腾阶段,表面沸腾率先开始,气泡的产生消除了部分过热,其中表面蒸发量更大,最大时约为内部蒸发量的3倍,全沸腾状态的最终温度取决于馈入功率和蒸发损耗功率的相对大小。对于微波辅助鼓泡反应器,首先对比了有/无气泡情况下的微波加热特性,结果表示,气泡可以强化反应器内竖直方向的流动从而提升竖直方向的温度均匀性,对比无气泡和有气泡的案例发现,最大温度从332 K减小到322 K,最小温度从310 K上升到316 K。同时探究了鼓泡反应器中气泡体积分数对微波加热过程的影响规律。随后探究了微波腔体尺寸、波导方向、微波馈入方式、腔体形状和反应器形状对微波能量利用效率的影响。本文研究结果有效地对微波蒸馏/鼓泡反应器内温度等重要参数进行预测,利用强化传热提升温度均匀性并进行了微波反应装置的设备参数优化设计工作,可为微波反应装置的开发以及设计提供理论支撑。