“蓝田”微波化学反应器数值模拟与实验

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本文就是采用时域有限差分方法(FDTD:Finite-DifferenceTime-Domain)求解Maxwell方程与热传导方程(Fourier方程)的耦合来计算微波化学反应器内部的电磁场分布和温度分布。首先,对两个微波化学反应器进行了数值模拟计算。第一个为大功率双磁控管微波化学反应器模型,采用FDTD方法对之进行电场分布的数值计算后,模拟计算结果显示采用微波功率合成新技术来实现大功率合成的两个普通磁控管A、B在谐振腔中形成的电场分布比较均匀、两个功率源的合成效率较高,并对反应器进行了相应的实验测量,其测量结果与数值计算结果相吻合。第二个为小功率单个磁控管微波化学反应器加热生成硫酸钙化学反应溶液模型,采用FDTD方法计算的电场分布结果显示谐振腔内的电场分布是不均匀的,并与有限元方法计算出的电场分布结果进行对比分析,两种方法计算的结果吻合的非常好;对两种方法的激励源的功率归一化为1W后进行比较分析,两者电场强度幅值的相对误差不大于2.6%;结合Maxwell方程与热传导方程进行25s的加热时间的耦合计算,温度分布的计算结果显示出反应溶液内部的温度分布特点为中心区域温度高边缘低,并结合中心点A和边缘点B两点的升温过程和实验测量结果进行对比分析,实验测试结果与数值计算的结果相吻合。说明了采用FDTD方法求解Maxwell方程与热传导方程的耦合来计算微波化学反应器内部的电磁场分布和温度分布的方法是可行的、准确的和高效的,也为FDTD数值计算方法的运用拓宽了又一应用领域。
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