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內容介紹

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本書係統地介紹瞭微波非熱效應的研究方法、實驗裝置的優化設計、實驗係統的構建、微觀動力學理論計算分析。首先根據微波非熱效應研究的瓶頸問題和目前研究常用實驗裝置存在的局限性，通過HFSS電磁仿真軟件優化設計加工瞭脊波導實驗裝置，並利用多物理場耦閤計算驗證該裝置的可行性，然後基於該裝置搭建實驗係統進行非熱效應實驗研究，最後利用微觀分子動力學計算方法研究非熱效應作用機理。這些研究可為微波非熱效應研究開闢一條新途徑並提供瞭重要的實驗和理論依據，同時也為微波非熱效應作用機理的研究和解決微波能工業化生産過程中的關鍵性問題打下堅實基礎，具有重要的科學意義。

 

作者介紹

田文艷，女，博士，副教授，1983年4月齣生於山西省朔州市，2012年獲得四川大學無綫電物理專業博士學位。主要研究方嚮為微波器件設計與微波測量、電磁場仿真計算和微波能應用。歐洲AMPERE組織會員、國際SCI期刊《International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics》、《Progress in Electromagnetics Research》和《Superlattices and Microstructures》審稿專傢。近五年來，發錶學術論文20餘篇，其中SCI收錄12篇（Top1區和Top2區SCI論文各1篇）；主持國傢自然科學基金、山西省自然科學基金和山西省晉城市科技計劃項目各1項；申請國傢專利6項，授權國傢發明專利1項，授權軟件著作權3項。

 

 

 

目   錄

第1章  引言    1

1.1  微波非熱效應爭議    4

1.2  微波效應機理    7

1.2.1  微波熱效應機理    7

1.2.2  微波非熱效應機理    11

1.3  微波非熱效應研究方法及其局限性    14

1.4  本書的主要研究內容    17

1.5  本書的內容安排    19

第2章  微波加熱流體多物理場數值計算    23

2.1  微波加熱數值計算方法簡介    25

2.1.1  有限元法    25

2.1.2  有限元法分析的基本步驟    26

2.2  微波加熱流體多物理場耦閤求解    29

2.2.1  電磁場的求解    29

2.2.2  熱傳導的求解    30

2.2.3  流體場的求解    32

2.3  等效介電係數的更新    34

2.3.1  微波作用下氯化鈉水溶液等效復介電係數的更新    35

2.3.2  微波作用下二甲基亞碸-氯化鈉水溶液等效復介電

係數的更新    36

2.4  多物理場耦閤    37

2.5  本章小結    38

第3章  窄壁開孔脊波導    39

3.1  設計原理及結構    41

3.2  仿真及結果    43

3.3  基於窄壁開孔脊波導氯化鈉水溶液在微波作用過程中的

多物理場計算    44

3.3.1  計算模型邊界條件    45

3.3.2  計算結果及討論    46

3.4  本章小結    51

第4章  基於窄壁開孔脊波導的微波非熱效應實驗研究    53

4.1  實驗係統    55

4.2  氯化鈉水溶液在微波作用過程中的溫度測量    57

4.3  氯化鈉水溶液在微波作用下的電導率變化    58

4.4  本章小結    64

第5章  寬壁開孔脊波導    65

5.1  設計原理及結構    66

5.2  仿真及結果    69

5.3  窄壁和寬壁開孔脊波導中二甲基亞碸-氯化鈉水溶液在微波

作用過程中的多物理場計算    70

5.3.1  計算模型所加邊界條件    70

5.3.2  計算結果及討論    71

5.4  本章小結    80

第6章  基於寬壁開孔脊波導的微波非熱效應實驗研究    81

6.1  實驗係統    84

6.2  二甲基亞碸-氯化鈉水溶液在微波作用過程中的  溫度測量    86

6.3  二甲基亞碸-氯化鈉水溶液在微波作用下的 電導率變化    87

6.3.1  水與二甲基亞碸摩爾數之比為2/1的溶液在微波作用下

電導率變化    88

6.3.2  水與二甲基亞碸摩爾數之比為3/1的溶液在微波作用下

電導率變化    90

6.3.3  水與二甲基亞碸摩爾數之比為4/1的溶液在微波作用下

電導率變化    93

6.3.4  水與二甲基亞碸摩爾數之比為5/1的溶液在微波作用下

電導率變化    95

6.4  本章小結    97

第7章  微波輻照下電解質溶液的非平衡態分子動力學模擬    99

7.1  分子動力學模擬的基本原理    102

7.1.1  分子動力學模擬基本原理    102

7.1.2  分子動力學模擬基本流程    104

7.1.3  牛頓運動方程數值解法    104

7.1.4  積分時間步長選取    107

7.2  分子動力學模擬常用力場    107

7.3  周期性邊界條件與最近鏡像    112

7.4  係綜    115

7.5  本章小結    115

 

第8章  微波非熱效應的非平衡態分子動力學計算    117

8.1  微波作用體係溶液的選擇    119

8.2  分子動力學模擬細節    121

8.3  結果與討論    122

8.3.1  徑嚮分布函數    122

8.3.2  配位數和平均氫鍵數    129

8.3.3  電導率    130

8.3.4  氫鍵鍵長和鍵角    132

8.4  本章小結    135

參考文獻    137

 

 

 

前   言

 

能源是人類社會發展的重要基礎資源，節能環保已經成為世界各國的核心議題。麵對人口眾多、能源嚴重短缺的現狀，推進節能減排更是迫在眉睫，並成為我國經濟可持續發展的基本國策。我國單位GDP的能耗和汙染物排放是國際水平的3～4倍，其中僅石油、農業、醫藥、食品化工等化工行業就占全國工業能耗和二氧化硫、氧化亞氮和甲烷等排放的近20%。目前，我國化工行業正在進入新一輪的大力發展，近年來的耗能平均增速高達20.6%。化工行業在我國國民經濟中占據重要地位，也占據著耗能和排放的大戶地位。如果在化工行業很好地實施節能減排工作，會大大降低我國的能耗和排放狀況，這將對我國實現節能減排的基本國策具有強有力的推動作用。眾所周知，多數化工生産普遍涉及大規模的高溫處理，一些催化劑、溶劑和中間體會帶來嚴重的能源浪費和環境汙染。因此，改變傳統的化工生産方式對完成我國節能減排目標來說至關重要。

微波作為一種新型高效無汙染能源，是一種與被加熱物質直接相互作用的選擇性加熱方式，具有顯著的高效、節能、清潔、無汙染的特點，與傳統的化工處理方式比較，微波加熱不僅可以極大地提高能源利用率，達到節能減排的目的，而且可以實現一些常規條件下無法實現的化學反應。現在微波能已經被廣泛應用於從無機反應到有機反應，從醫藥化工到食品化工，從簡單分子反應到復雜生命過程的各個化學領域。然而，在實際化工生産過程中，大功率微波作用於復雜時變煤質時很容易産生熱點、熱失控，甚至導緻爆炸産生，如意大利Milestone公司生産的微波化學反應器就因為在國內發生過爆炸傷人事件而幾乎徹底退齣中國市場。目前，微波與化學反應體係的作用機理和本質仍不清楚，還沒有一套係統的理論可以指導微波源在化工中的高效安全應用。正如美國著名微波能應用專傢D. E. Clark在第二屆世界微波能應用大會上指齣：“在微波能應用從實驗到工業轉化過程中，目前存在的技術睏難是對微波同物質的相互作用機理研究不夠引起的。所以，目前人們對微波能源的利用和控製方麵還相對薄弱，很難做到真正在工業上的廣泛應用”。因此，微波與復雜時變煤質的相互作用機理研究對於實現微波能的工業化應用至關重要。

對於微波與物質相互作用機理，微波為何及如何加速化學反應進程的確切原因，學術界一直存在較大爭議。S. Shazman、P. M. Reddy 和 Q. Yang等學者認為當微波作用於化學反應時，微波熱效應是加快化學反應的唯一因素，而 M. Ballardin、S. Horikoshi 和 J. Wang 等學者則堅持雖然現在非熱效應沒有得到充分的證實，但確實存在微波非熱效應。2011年在法國圖盧茲舉行的微波化學會議和2013年於英國諾丁漢舉行的世界微波化學大會上都有對微波化學反應“非熱效應”的專門報道。在微波作用化學反應的研究過程中，發現瞭許多有彆於傳統加熱的“非熱效應”。多方麵的研究結果都似乎錶明：微波作用存在非熱效應。但是，令人遺憾的是，到底是否存在微波非熱效應，這一問題一直沒有得到充分證實。

目前大部分非熱效應的驗證工作是以實驗為基礎的，並且許多學者認為實驗驗證是證明微波非熱效應存在的一種切實有效的方法。而現在一般用於非熱效應研究的實驗裝置是傢用微波爐或由傢用微波爐改造而成的，且實驗係統和實驗方法設計也不太閤理，這給微波非熱效應實驗研究帶來很大的局限性。

本書采用宏觀實驗測量和微觀動力學理論計算相結閤的方式，在宏觀層麵設計特殊微波實驗裝置和實驗方法對可錶徵微觀變化情況的宏觀非微波參量進行測量；在微觀層麵利用微觀動力學方法計算與宏觀參量相關的氫鍵體係溶液團簇結構、氫鍵參數勢函數、平均氫鍵數等微觀特性參數。微觀研究結果為宏觀研究提供最佳的微波作用條件，而宏觀實驗結果反過來又對微觀研究結果進行驗證，宏觀研究與微觀研究緊密結閤相互支撐。本書研究成果將為微波作用下是否存在非熱效應這一具有爭議的科學問題開闢瞭一條新途徑並提供瞭重要的實驗和理論依據，同時也為微波非熱效應作用機理的研究和解決微波能工業化生産過程中的關鍵性問題打下堅實的基礎，具有重要的科學意義。

感謝四川大學電子信息學院黃卡瑪教授的大力支持和對相關研究工作給予的悉心指導。感謝國傢自然科學基金青年基金項目（No. 61401298）和山西省青年科技研究基金項目（No. 2015021094）對相關研究工作的資助。

由於微波非熱效應研究涉及的理論及實驗驗證較復雜，還存在需要進一步研究探討的問題。由於作者學識水平有限，本書難免存在不足之處，懇請同行專傢、學者和廣大讀者給予批評指教。

 

作者介紹
田文艷，女，博士，副教授，1983年4月齣生於山西省朔州市，2012年獲得四川大學無綫電物理專業博士學位。主要研究方嚮為微波器件設計與微波測量、電磁場仿真計算和微波能應用。歐洲AMPERE組織會員、國際SCI期刊《International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics》、《Progress in Electromagnetics Research》和《Superlattices and Microstructures》審稿專傢。近五年來，發錶學術論文20餘篇，其中SCI收錄12篇（Top1區和Top2區SCI論文各1篇）；主持國傢自然科學基金、山西省自然科學基金和山西省晉城市科技計劃項目各1項；申請國傢專利6項，授權國傢發明專利1項，授權軟件著作權3項。

關聯推薦
本書可以作為電子信息類、無綫電物理、電磁場與微波技術、物理化學類等相關學科教師和學生的參考用書，也可供有關工程技術人員作參考閱讀。
目錄
目 錄 第1章 引言 1 1.1 微波非熱效應爭議 4 1.2 微波效應機理 7 1.2.1 微波熱效應機理 7 1.2.2 微波非熱效應機理 11 1.3 微波非熱效應研究方法及其局限性 14 1.4 本書的主要研究內容 17 1.5 本書的內容安排 19 第2章 微波加熱流體多物理場數值計算 23 2.1 微波加熱數值計算方法簡介 25 2.1.1 有限元法 25 2.1.2 有限元法分析的基本步驟 26 2.2 微波加熱流體多物理場耦閤求解 29 2.2.1 電磁場的求解 29 2.2.2 熱傳導的求解 30 2.2.3 流體場的求解 32 2.3 等效介電係數的更新 34 2.3.1 微波作用下氯化鈉水溶液等效復介電係數的更新 35 2.3.2 微波作用下二甲基亞碸-氯化鈉水溶液等效復介電 係數的更新 36 2.4 多物理場耦閤 37 2.5 本章小結 38 第3章 窄壁開孔脊波導 39 3.1 設計原理及結構 41 3.2 仿真及結果 43 3.3 基於窄壁開孔脊波導氯化鈉水溶液在微波作用過程中的 多物理場計算 44 3.3.1 計算模型邊界條件 45 3.3.2 計算結果及討論 46 3.4 本章小結 51 第4章 基於窄壁開孔脊波導的微波非熱效應實驗研究 53 4.1 實驗係統 55 4.2 氯化鈉水溶液在微波作用過程中的溫度測量 57 4.3 氯化鈉水溶液在微波作用下的電導率變化 58 4.4 本章小結 64 第5章 寬壁開孔脊波導 65 5.1 設計原理及結構 66 5.2 仿真及結果 69 5.3 窄壁和寬壁開孔脊波導中二甲基亞碸-氯化鈉水溶液在微波 作用過程中的多物理場計算 70 5.3.1 計算模型所加邊界條件 70 5.3.2 計算結果及討論 71 5.4 本章小結 80 第6章 基於寬壁開孔脊波導的微波非熱效應實驗研究 81 6.1 實驗係統 84 6.2 二甲基亞碸-氯化鈉水溶液在微波作用過程中的 溫度測量 86 6.3 二甲基亞碸-氯化鈉水溶液在微波作用下的 電導率變化 87 6.3.1 水與二甲基亞碸摩爾數之比為2/1的溶液在微波作用下 電導率變化 88 6.3.2 水與二甲基亞碸摩爾數之比為3/1的溶液在微波作用下 電導率變化 90 6.3.3 水與二甲基亞碸摩爾數之比為4/1的溶液在微波作用下 電導率變化 93 6.3.4 水與二甲基亞碸摩爾數之比為5/1的溶液在微波作用下 電導率變化 95 6.4 本章小結 97 第7章 微波輻照下電解質溶液的非平衡態分子動力學模擬 99 7.1 分子動力學模擬的基本原理 102 7.1.1 分子動力學模擬基本原理 102 7.1.2 分子動力學模擬基本流程 104 7.1.3 牛頓運動方程數值解法 104 7.1.4 積分時間步長選取 107 7.2 分子動力學模擬常用力場 107 7.3 周期性邊界條件與最近鏡像 112 7.4 係綜 115 7.5 本章小結 115 第8章 微波非熱效應的非平衡態分子動力學計算 117 8.1 微波作用體係溶液的選擇 119 8.2 分子動力學模擬細節 121 8.3 結果與討論 122 8.3.1 徑嚮分布函數 122 8.3.2 配位數和平均氫鍵數 129 8.3.3 電導率 130 8.3.4 氫鍵鍵長和鍵角 132 8.4 本章小結 135 參考文獻 137

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