利用蛙跳技术计算微波化学中的温度变化

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在研究微波加热化学反应过程中,由于反应溶液内部各点电磁场分布的不均匀,使加热过程中局部温度高低难于控制,直接影响化学反应的进行。因此,快速准确地模拟反应溶液内部的温度分布及变化,对有效控制化学反应的进行,具有十分重要的意义。 时域有限差分法(FDTD)在时域计算的优势,使它在工程电磁学各个领域备受重视。但是直接利用FDTD法模拟历时几分钟甚至更长时间的化学反应过程,由于所加微波的振荡速率远大于化学反应变化的速率,在满足稳定条件下,模拟需要很大计算量和计算时间。传统的加入α时间压缩因子的处理方法,使模拟计算的时间大为缩短,但同时使计算的准确性随α的取值大小而变化。 本文探求了一种基于FDTD法的新的蛙跳(leapfrog)技术,模拟计算TEM cell内部,微波与试管中的化学反应溶液相互作用的过程。即把反应时间分成n等分,在每段时区内,溶液参数包括温度、介电常数和电导率设为常数,简化了计算模型。计算时,利用当前空间各点的电导率和介电常数,在每个时间段内,运用FDTD法,计算几个周期的电磁场,至空间各点电场的峰值不再变化为止。在保证温度模拟值准确的条件下,大大减少了计算量,缩短了计算时间。 本文以在TEM cell系统中的微波加热乙酸乙酯皂化反应实验为例,用计算机构造了反应模型,利用FDTD法求解麦克斯韦方程组,热传导方程以及化学反应方程。对微波在TEM cell中加热该反应的过程进行了数值模拟,计算了反应溶液中的温度分布及变化。数值计算结果与实验测量数据吻合较好。
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