微波耦合加热移动物体的一种计算方法

1 成果简介

微波耦合加热移动物体的过程，在数学与物理的建模上，通常认为是极其复

杂的过程，普通人员很难掌握，另外，模拟仿真计算还极其耗时。

为解决此问题，我们利用运动的相对性原理和不同物理量(电磁场、温度场

和流场)在不同坐标系之间转换，提出了一种计算微波耦合加热移动物体的数值

计算方法。此法具有操作过程简易，计算精度高且耗时少的特点，理论上，此计

算方法还适用于微波耦合电磁搅伴器时的加热过程计算。

2 关键技术

从物理场的角度而言，微波加热是一个典型的多物理场问题，主要涉及的是

电磁场与温度场能量的转换与传导，以及流场（如周围空气）与加热物之间的共

扼传热。

在现代工业与科研中，广泛应用微波加热。如《Science》和《nature》，分

别在 2016 与 2018 年，刊登了利用微波制作石墨烯技术。但由于微波最大的缺

陷，就是加热的不均匀性，又极大地影响了微波的应用。

为了改善加热的均质性，通常使加热物运动，如旋转或采用磁搅伴器。380

微波治疗肿瘤，被国际医学界称为绿色疗法，肿瘤细胞死亡最可能萎缩和死

亡在 42.5℃～43.5℃之间，温度低了则治疗肿瘤无效，而温度高了，又会损伤周

围健康器官，由于在人体上操作，故要非常谨慎的，所以又限制了微波应用。若

能有一种快速预测的计算方法，能立即得到加热的温度场分布，则是一个非常有

意义的事！

针对移动物体的微波加热，传统模型计算极其复杂，只有少量专业研究人员

会计算，一般人员很难掌握，同时计算又极其耗时。本方法在此方面进行了大胆

的探索。

3 知识产权及项目获奖情况

发表了一篇 SCI 论文，专门论述了该方法，详见：

PU GUANGYi, PU CHENG XI, J. WANG, C. F. SONG, “A method for coupled

microwave heating process and heat transfer simultaneously of moving

objects,” Journal of Food Processing and Preservation, vol. 42, no.1,

e13468, 2018. DOI: 10.1111/jfpp.13468.

4 项目成熟度

该方法计算工作量小，计算方便，且精度高，适合加热运动物体或电磁搅拌

装置，或同时加热运动物体及有电磁搅拌的情况。现在 CAD 与 CAE 技术发展非常

迅速。所以，理论上可以直接利用这些商业软件进行建模与计算。

5 投资期望及应用情况；

（1） 微波治疗肿瘤方面。由于微波能够穿透到肿瘤内部，直接“杀死”

肿瘤细胞，理论上，远比高能射线如γ射线效果好，且对人体副作用小。先

前没有广泛使用，原因之一是不好控制加热的不均匀性。若能在治疗之前，

先预先计算出加热物温度场分布，即预测出温度场的分布，则可以控制微波

直接“杀死”肿瘤细胞。

（2） 石墨烯的过程制作。

（3） 食品及其他工业与科研的应用。