无机胶凝材料微波加热过程的数学模拟研究

论文摘要

在本学位论文中，选择CaO-SiO2体系内的无机胶凝材料为所研究的材料。以微波加热技术为该材料的制备方法。具体针对微波加热合成该材料的过程展开研究。研究重点是该过程的理论分析、数学模型建立、数值模拟计算以及相应计算机软件的开发。本学位论文的理论研究方法是：经过对该材料微波加热合成过程进行理论分析以及合理地简化有关的微分方程，从而建立与该过程相关的数学模型。数学模型是指经过具体简化后的微分方程（组）以及一些单值性条件。单值性条件包括：边界条件、初始条件、几何条件和物理条件。本研究中所建立的数学模型有三个，分别是：谐振腔内微波场的数学模型、样品内微波场的数学模型以及样品内温度场的数学模型。这三个数学模型可以分别用“有限元法（简称FEM法）”、“时域有限差分法（简称FDTD法）”和“前向有限差分法（简称EFDM法）”进行离散化处理和数值计算。其计算结果就是关于上述微波加热过程中相关微波场与温度场的理论研究成果与数学模拟。除了在理论上进行研究以外，本学位论文中还将数学模型及其模拟计算结果与相关的实验探索、参数测试结合起来进行研究。具体来说，就是在有关理论指导下进行的、有目的性的实验研究及相关的测试工作，将实验研究结果以及测试得到的结果与理论模拟计算的结果进行相互对比、相互反馈、相互补充，从而完善所建立的数学模型和相关的计算程序，使之能够得出与实际参数更为吻合的理论计算结果。从而为以后相关的应用研究与开发研究提供必要的技术支持与指导。经过上述一系列的理论分析与微分方程的简化、数学模型的建立、数学模型中微分方程的离散化处理、用算法语言进行的编程、实验研究结果的反馈、计算程序的修正，本研究最后得到的是一个综合的模拟计算软件。该软件的功能较强，它在计算机上的运行结果可以实现对上述微波加热过程的理论模拟。这些模拟结果能够揭示出该微波加热过程中的一些具体规律，在这些模拟计算结果中，有的理论计算结果获得了某些可测量参数的验证。验证的结果表明：理论计算结果与实际测量、测试结果较为吻合。这些理论模拟结果与一些实验测试结果一起就构成本学位论文的主要研究成果。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 本研究中材料制备方法与材料体系简介
• 1.1.1 微波加热制备材料技术简介
• 1.1.2 无机胶凝材料体系的选择
• 1.2 与本课题研究相关的国内、外研究概况
• 1.2.1 微波制备材料技术的研究历史与现状概述
• 1.2.2 微波场理论研究及数值模拟研究的历史与现状
• 1.3 本学位论文的研究内容
• 1.4 本学位论文的研究方法与技术路线
• 1.5 本章小结
• 第2章 理论研究与数学模型及数值算法
• 2.1 谐振腔内微波场的理论研究、数学模型与数值算法
• 2.1.1 谐振腔内微波场的理论研究与数学模型
• 2.1.2 谐振腔内微波场数学模型的数值算法
• 2.2 样品内微波场理论研究、数学模型与数值算法
• 2.2.1 样品内微波场理论研究与数学模型
• 2.2.2 样品内微波场数学模型的计算方法
• 2.3 样品内温度场的理论研究、数学模型与数值算法
• 2.3.1 样品内温度场理论研究与数学模型
• 2.2.2 样品内温度场数学模型的计算方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 实验研究方法与测试方法
• 3.1 实验方案
• 3.1.1 所合成材料的化学组成与化学计量比的选择
• 3.1.2 实验步骤与实验测试项目
• 3.2 实验装置
• 3.2.1 实验器材
• 3.2.2 实验装置的原理与结构
• 3.3 测试方法
• 3.3.1 谐振腔内微波电场场强的实验测试方法
• 3.3.2 所合成材料矿物组成与微观形貌的测试方法
• 3.3.3 材料加热过程中一些物性参数的确定方法
• 3.3.4 材料加热过程温度变化的测量方法
• 3.3.5 样品加热过程中热效应的测量方法
• 3.4 本章小结
• 第4章 实验测试结果与模拟研究结果
• 4.1 实验测试结果
• 4.1.1 谐振腔内微波电场的场强分布实验测试结果
• 4.1.2 样品矿物组成与微观形貌的测试结果及其分析
• 4.1.3 材料合成过程中一些物性参数的结果
• 4.1.4 材料合成过程温度变化的测量结果
• 4.1.5 样品加热过程热效应的测量结果
• 4.2 数值模拟计算结果
• 4.2.1 谐振腔内微波场的场强分布数值计算结果
• 4.2.2 关于谐振腔内微波场场强分布数值计算结果的讨论
• 4.2.3 样品内微波场与样品内温度场的若干模拟计算结果
• 4.3 所开发软件的界面图
• 4.3.1 所开发软件中各个界面之间的关系
• 4.3.2 所开发软件中几个典型的界面图
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论
• 附:本学位论文的创新点:
• 参考文献
• 后记与致谢
• 附录1 关于电导率处理方法的推导
• 附录2 FDTD算法的数值稳定性要求
• 附录3 EFDM算法的数值稳定性要求
• 附录4 在ANSYS软件平台上用FEM法进行谐振腔内微波场场强分布数值计算的GUI操作命令流
• 附录5 攻读学位期间发表的论文与成果