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本书系统地介绍了微波非热效应的研究方法、实验装置的优化设计、实验系统的构建、微观动力学理论计算分析。首先根据微波非热效应研究的瓶颈问题和目前研究常用实验装置存在的局限性，通过HFSS电磁仿真软件优化设计加工了脊波导实验装置，并利用多物理场耦合计算验证该装置的可行性，然后基于该装置搭建实验系统进行非热效应实验研究，最后利用微观分子动力学计算方法研究非热效应作用机理。这些研究可为微波非热效应研究开辟一条新途径并提供了重要的实验和理论依据，同时也为微波非热效应作用机理的研究和解决微波能工业化生产过程中的关键性问题打下坚实基础，具有重要的科学意义。

目 录

第1章  引言	1
1.1  微波非热效应争议	4
1.2  微波效应机理	7
1.2.1  微波热效应机理	7
1.2.2  微波非热效应机理	11
1.3  微波非热效应研究方法及其局限性	14
1.4  本书的主要研究内容	17
1.5  本书的内容安排	19
第2章  微波加热流体多物理场数值计算	23
2.1  微波加热数值计算方法简介	25
2.1.1  有限元法	25
2.1.2  有限元法分析的基本步骤	26
2.2  微波加热流体多物理场耦合求解	29
2.2.1  电磁场的求解	29
2.2.2  热传导的求解	30
2.2.3  流体场的求解	32
2.3  等效介电系数的更新	34
2.3.1  微波作用下氯化钠水溶液等效复介电系数的更新	35
2.3.2  微波作用下二甲基亚砜-氯化钠水溶液等效复介电
系数的更新	36
2.4  多物理场耦合	37
2.5  本章小结	38
第3章  窄壁开孔脊波导	39
3.1  设计原理及结构	41
3.2  仿真及结果	43
3.3  基于窄壁开孔脊波导氯化钠水溶液在微波作用过程中的
多物理场计算	44
3.3.1  计算模型边界条件	45
3.3.2  计算结果及讨论	46
3.4  本章小结	51
第4章  基于窄壁开孔脊波导的微波非热效应实验研究	53
4.1  实验系统	55
4.2  氯化钠水溶液在微波作用过程中的温度测量	57
4.3  氯化钠水溶液在微波作用下的电导率变化	58
4.4  本章小结	64
第5章  宽壁开孔脊波导	65
5.1  设计原理及结构	66
5.2  仿真及结果	69
5.3  窄壁和宽壁开孔脊波导中二甲基亚砜-氯化钠水溶液在微波
作用过程中的多物理场计算	70
5.3.1  计算模型所加边界条件	70
5.3.2  计算结果及讨论	71
5.4  本章小结	80
第6章  基于宽壁开孔脊波导的微波非热效应实验研究	81
6.1  实验系统	84
6.2  二甲基亚砜-氯化钠水溶液在微波作用过程中的  温度测量	86
6.3  二甲基亚砜-氯化钠水溶液在微波作用下的 电导率变化	87
6.3.1  水与二甲基亚砜摩尔数之比为2/1的溶液在微波作用下
电导率变化	88
6.3.2  水与二甲基亚砜摩尔数之比为3/1的溶液在微波作用下
电导率变化	90
6.3.3  水与二甲基亚砜摩尔数之比为4/1的溶液在微波作用下
电导率变化	93
6.3.4  水与二甲基亚砜摩尔数之比为5/1的溶液在微波作用下
电导率变化	95
6.4  本章小结	97
第7章  微波辐照下电解质溶液的非平衡态分子动力学模拟	99
7.1  分子动力学模拟的基本原理	102
7.1.1  分子动力学模拟基本原理	102
7.1.2  分子动力学模拟基本流程	104
7.1.3  牛顿运动方程数值解法	104
7.1.4  积分时间步长选取	107
7.2  分子动力学模拟常用力场	107
7.3  周期性边界条件与最近镜像	112
7.4  系综	115
7.5  本章小结	115
 
第8章  微波非热效应的非平衡态分子动力学计算	117
8.1  微波作用体系溶液的选择	119
8.2  分子动力学模拟细节	121
8.3  结果与讨论	122
8.3.1  径向分布函数	122
8.3.2  配位数和平均氢键数	129
8.3.3  电导率	130
8.3.4  氢键键长和键角	132
8.4  本章小结	135
参考文献	137

前 言

能源是人类社会发展的重要基础资源，节能环保已经成为世界各国的核心议题。面对人口众多、能源严重短缺的现状，推进节能减排更是迫在眉睫，并成为我国经济可持续发展的基本国策。我国单位GDP的能耗和污染物排放是国际水平的3～4倍，其中仅石油、农业、医药、食品化工等化工行业就占全国工业能耗和二氧化硫、氧化亚氮和甲烷等排放的近20%。目前，我国化工行业正在进入新一轮的大力发展，近年来的耗能平均增速高达20.6%。化工行业在我国国民经济中占据重要地位，也占据着耗能和排放的大户地位。如果在化工行业很好地实施节能减排工作，会大大降低我国的能耗和排放状况，这将对我国实现节能减排的基本国策具有强有力的推动作用。众所周知，多数化工生产普遍涉及大规模的高温处理，一些催化剂、溶剂和中间体会带来严重的能源浪费和环境污染。因此，改变传统的化工生产方式对完成我国节能减排目标来说至关重要。
微波作为一种新型高效无污染能源，是一种与被加热物质直接相互作用的选择性加热方式，具有显著的高效、节能、清洁、无污染的特点，与传统的化工处理方式比较，微波加热不仅可以极大地提高能源利用率，达到节能减排的目的，而且可以实现一些常规条件下无法实现的化学反应。现在微波能已经被广泛应用于从无机反应到有机反应，从医药化工到食品化工，从简单分子反应到复杂生命过程的各个化学领域。然而，在实际化工生产过程中，大功率微波作用于复杂时变煤质时很容易产生热点、热失控，甚至导致爆炸产生，如意大利Milestone公司生产的微波化学反应器就因为在国内发生过爆炸伤人事件而几乎彻底退出中国市场。目前，微波与化学反应体系的作用机理和本质仍不清楚，还没有一套系统的理论可以指导微波源在化工中的高效安全应用。正如美国著名微波能应用专家D. E. Clark在第二届世界微波能应用大会上指出：“在微波能应用从实验到工业转化过程中，目前存在的技术困难是对微波同物质的相互作用机理研究不够引起的。所以，目前人们对微波能源的利用和控制方面还相对薄弱，很难做到真正在工业上的广泛应用”。因此，微波与复杂时变煤质的相互作用机理研究对于实现微波能的工业化应用至关重要。
对于微波与物质相互作用机理，微波为何及如何加速化学反应进程的确切原因，学术界一直存在较大争议。S. Shazman、P. M. Reddy 和 Q. Yang等学者认为当微波作用于化学反应时，微波热效应是加快化学反应的唯一因素，而 M. Ballardin、S. Horikoshi 和 J. Wang 等学者则坚持虽然现在非热效应没有得到充分的证实，但确实存在微波非热效应。2011年在法国图卢兹举行的微波化学会议和2013年于英国诺丁汉举行的世界微波化学大会上都有对微波化学反应“非热效应”的专门报道。在微波作用化学反应的研究过程中，发现了许多有别于传统加热的“非热效应”。多方面的研究结果都似乎表明：微波作用存在非热效应。但是，令人遗憾的是，到底是否存在微波非热效应，这一问题一直没有得到充分证实。
目前大部分非热效应的验证工作是以实验为基础的，并且许多学者认为实验验证是证明微波非热效应存在的一种切实有效的方法。而现在一般用于非热效应研究的实验装置是家用微波炉或由家用微波炉改造而成的，且实验系统和实验方法设计也不太合理，这给微波非热效应实验研究带来很大的局限性。
本书采用宏观实验测量和微观动力学理论计算相结合的方式，在宏观层面设计特殊微波实验装置和实验方法对可表征微观变化情况的宏观非微波参量进行测量；在微观层面利用微观动力学方法计算与宏观参量相关的氢键体系溶液团簇结构、氢键参数势函数、平均氢键数等微观特性参数。微观研究结果为宏观研究提供最佳的微波作用条件，而宏观实验结果反过来又对微观研究结果进行验证，宏观研究与微观研究紧密结合相互支撑。本书研究成果将为微波作用下是否存在非热效应这一具有争议的科学问题开辟了一条新途径并提供了重要的实验和理论依据，同时也为微波非热效应作用机理的研究和解决微波能工业化生产过程中的关键性问题打下坚实的基础，具有重要的科学意义。
感谢四川大学电子信息学院黄卡玛教授的大力支持和对相关研究工作给予的悉心指导。感谢国家自然科学基金青年基金项目（No. 61401298）和山西省青年科技研究基金项目（No. 2015021094）对相关研究工作的资助。
由于微波非热效应研究涉及的理论及实验验证较复杂，还存在需要进一步研究探讨的问题。由于作者学识水平有限，本书难免存在不足之处，恳请同行专家、学者和广大读者给予批评指教。

电子技术

田文艳，女，博士，副教授，1983年4月出生于山西省朔州市，2012年获得四川大学无线电物理专业博士学位。主要研究方向为微波器件设计与微波测量、电磁场仿真计算和微波能应用。欧洲AMPERE组织会员、国际SCI期刊《International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics》、《Progress in Electromagnetics Research》和《Superlattices and Microstructures》审稿专家。近五年来，发表学术论文20余篇，其中SCI收录12篇（Top1区和Top2区SCI论文各1篇）；主持国家自然科学基金、山西省自然科学基金和山西省晋城市科技计划项目各1项；申请国家专利6项，授权国家发明专利1项，授权软件著作权3项。

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微波非热效应的脊波导实验传输系统设计及机理研究