综述：微波加热多物理场仿真研究综述：预测机制与优化效果

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Review on multiphysics simulation for microwave heating: prediction mechanism and optimization effectiveness

针对工业微波处理中渗透深度不足和加热不均的瓶颈，本文系统阐述了多物理场仿真（MPS）在揭示微波加热机制、预测复杂耦合过程及驱动设备创新中的关键作用。通过分析生物质热解与金属加工中的关键机理（如热点形成、热失控及压力驱动的质量传递），总结了基于仿真的优化策略，包括频率、功率、物料特性及波导几何的协同优化。研究表明，MPS能有效可视化复杂场分布并揭示介电常数非线性温依赖性导致的失控现象，通过匹配功率与物料体积、协同多频段与双脊波导设计可提升系统效率。当前挑战包括多物理场耦合建模精度与工业应用适配性，未来需结合人工智能突破仿真技术瓶颈。

　　

唐文豪|李华|徐家良|李超|刘明明|朱雪茹|Samuel Mbugua Nyambura

摘要

本文针对工业微波处理中存在的穿透深度有限和加热不均匀的瓶颈问题，系统地阐述了多物理场仿真（MPS）在揭示微波加热机制、预测复杂耦合过程以及推动设备创新方面的重要作用。研究了MPS在生物质热解和金属加工关键机制中的预测能力，详细讨论了热点形成、热失控和压力驱动的质量传递现象。此外，还总结了基于仿真的频率、功率、样品属性和波导设计的优化策略，并评估了MPS在批处理和连续微波加热系统开发中的创新应用。研究表明，MPS能够有效可视化复杂的场分布，并揭示介电特性的非线性温度依赖性，这是导致热失控的原因。通过匹配功率与样品体积，可以提高能量利用率；而频率和多波导设计的协同效应则能提升整体系统效率。圆柱形谐振腔和双脊波导能够增强电场强度并改善加热均匀性，动态边界控制也有助于提高均匀性。本文探讨了MPS在预测和优化微波加热过程中的优势与局限性，并指出了促进其工业应用的未来发展方向。

引言

根据2023年的二氧化碳排放数据，全球与能源相关的二氧化碳排放量增长了1.1%，达到创纪录的374亿吨，增加了4.1亿吨[1]。电力行业的排放增幅位居第二，工业行业也略有增长。为了向可持续能源系统转型，发展智能且环保的生产方式至关重要[2]。采用高能效的加热技术可以减少工业热生产对化石燃料的依赖，并降低电力需求，从而有助于减少环境影响和能源消耗[3]。

作为一种新兴的非接触式加热技术，微波加热具有响应迅速、材料选择性强和可控性高的特点，这些优势使其区别于传统方法[4,5]。这些特性缩短了处理时间并提高了能源效率。此外，由于无需直接燃烧化石燃料，微波加热减少了相关污染[6]。因此，它在各种应用中成为传统加热方式的有前途的替代方案[7]。例如，Mahfud等人[8]使用620°C和450 W的功率进行135分钟的微波热解处理，获得了61.7%的最佳生物油产率。Wang等人[9]开发了一种具有可调边界的微波腔体，与传统反应器相比，加热效率提高了107.54%，均匀性提高了201.85%。Wu等人[10]研究了微波加热下煤层结构的变化，发现微波加热能够促进煤块破裂并提高渗透性。

然而，微波的穿透深度有限和温度分布不均匀给工业应用带来了挑战[11,12]。这些问题导致微波设备的运行成本较高，能量转换效率较低[13,14]。数值仿真方法的出现带来了多物理场仿真（MPS），这是一种有效解决加热不均匀、能量效率低和系统性能不稳定问题的方法[15,16]。MPS通过耦合多种物理现象来研究它们之间的相互作用，利用有限元分析解决了涉及电磁学、热传递、流体动力学和结构力学等领域的时空问题。作为一种高效且经济可行的数值工具，MPS能够实时预测温度场和电磁场行为[17]，从而优化加热参数和反应器设计，提升工艺效率。尽管MPS能够提供与实验观察结果一致的实时预测，但其模型的可靠性仍受微波、腔体结构和材料特性之间复杂相互作用的影响[19]。

虽然之前的综述总结了连续微波加热系统的数值仿真创新[20]和计算流体动力学在热传递过程中的应用[21]，但尚未系统地探讨MPS在优化微波加热性能中的具体作用。为填补这一空白，本文提出了一个新框架，以充分发挥MPS在推动微波加热技术进步方面的潜力。本文不仅关注特定过程或反应器设计，还说明了MPS在揭示微波热解和金属加工机制、提升加热性能和设备功能方面的关键作用，并讨论了当前面临的挑战和未来的研究方向。本研究主要针对工业规模的微波环境，而非家用系统，重点探讨了MPS在热化学转化、工业材料处理和设备设计中的应用。

本文概述了MPS的一般仿真工作流程和独特特点，包括耦合建模、实现、网格验证以及在COMSOL环境中的实验验证。通过现有研究，强调了MPS在揭示复杂微波加热机制（如生物质热解中的热点演变和压力驱动的质量传递）以及金属加工中的能量转换方面的作用。同时评估了功率、频率、介电特性和波导几何形状等参数对加热性能的影响，并提出了系统的优化策略。此外，还展示了MPS在批处理和连续反应器（包括谐振腔、脊波导和动态边界控制）中的结构创新。最后，讨论了当前的计算挑战以及人工智能在推动智能、可持续生产方面的潜在作用。MPS的概念性作用在图1中进行了总结，后续章节提供了具体示例。

章节片段

微波加热的原理与特性

微波、红外线、可见光和无线电波都是电磁辐射的形式，主要区别在于它们的频率范围。具体来说，微波的频率范围为300 MHz至300 GHz[22]。为了避免雷达、通信和导航等不同应用之间的干扰，特定的频率段被分配给不同的用途。在微波加热中，主要使用两种频率：2450 MHz（常用于家用烤箱）和

多物理场仿真技术

数值计算的演变始于20世纪50年代初，最初是一维仿真（如Bruce, G. H.和Peaceman, D. W的研究[36]），这从根本上改变了工程仿真的面貌。最初，由于计算能力有限，只能处理简单的一维问题，但随着硬件和算法的进步，逐渐能够模拟越来越复杂的多维系统[37]。这一进展在

多物理场过程可视化与机制预测

MPS的价值在于其能够全面建模和预测电磁场、热场和流体场之间的相互作用，提供了对耦合现象的全面理解。这种方法有助于深入理解微波加热机制，优化操作条件，并精确控制加热过程。此外，MPS还是反应器设计和优化的有效工具，提高了加热效率

利用MPS优化微波加热效果

基于对各种参数如何影响加热特性的理解，MPS被用来优化反应条件并提升加热性能。评估微波加热的关键指标包括能源效率、温度均匀性和整体加热效果。这些方面的改进有助于降低成本和节约能源。具体参数包括微波功率、频率、波导和材料位置等

利用MPS创新微波加热设备

微波加热装置生成并传递微波能量以加热材料。其配置因应用、规模和设计而异，通常包括微波源[122]、波导[123]、天线[124]、谐振腔[125,126]、加热腔和搅拌器[127]等关键组件。根据运行模式，这些系统可分为批处理式或连续式[128]，如图14所示。批处理系统以固定周期运行

MPS的现状与挑战

本文强调MPS是降低微波加热应用成本和提高效率的关键工具。通过揭示微观层面的基本机制并在宏观层面优化系统性能，MPS为创新和设计先进加热设备奠定了坚实基础。尽管MPS在准确建模复杂系统方面具有显著优势，但在工业中的应用仍面临一些挑战

结论

本文系统地阐述了MPS在微波加热领域的应用。从微波加热的基本理论开始，详细介绍了MPS技术的发展历程，并讨论了多物理场耦合的数学模型及其实现过程。通过深入分析生物质热解和金属加工等代表性应用案例，揭示了背后的复杂机制

CRediT作者贡献声明

唐文豪：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、软件使用、方法论制定、概念化设计。李华：撰写——审稿与编辑、可视化处理、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论制定、资金筹措、概念化设计。徐家良：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、正式分析、数据整理。李超：可视化处理、监督、资源协调、项目管理