[00923107]多场协同计算平台及在微波能工业中的应用

近年来，微波已开始在许多领域的工业生产中崭露头脚。正因为微波能在工业应用中所蕴涵的巨大潜力，国内外都在进行着异常活跃的学术研究活动，各种学术和商业机构应运而生。然而，当人们把未经过专门设计的微波系统在实验室中取得的成果应用于工业生产时，却发现其效能和安全性远低于预期。具体如下：效能方面：由于微波能量利用率低和加热不均匀导致微波高效加热的特点并未在工业应用中充分发挥其潜力。工业应用中，物料种类繁多，作为微波源的负载时，介电特性随着加热温度改变而变化剧烈。因此，工业物料作为微波源的负载时呈现明显的复杂时变特性，很难用简单的方式做到微波源和负载之间的匹配，微波源和负载之间的失配现象严重，大部分微波能被反射，导致微波能的利用率低；工业物料的一致性较差，即使同一批物料也会因为其颗粒大小，湿度和组成等并不完全一样而导致介电特性的明显差异。这使得未经专门设计的微波系统很难做到均匀加热，大规模加热时甚至会导致烧毁反应物和引起爆炸。安全问题：由于工业用微波加热设备中的控制系统常常会伴随着早期失效和控制电路失灵的问题而导致微波能工业应用中存在巨大的安全隐患。微波能工业应用中基本都采用大功率连续波磁控管作为微波源，大功率连续波磁控管由于其结构的特殊性必然会从其阴极引线处产生大量的电磁辐射，当未采取任何措施时必然会引起微波泄露辐射干扰和操作微波能系统中控制电路，导致控制系统失灵或者早期失效的问题出现，严重影响了大功率微波能工业应用的安全性。该项目组针对上述微波能工业应用中的两个问题，长期开展了大量的深入的研究工作。在提高微波能工业应用效能方面：通过多场计算分析微波加热的最佳参数并实现均匀加热，以提高微波能工业应用的效能。为解决在微波能工业应用的中的时间尺度上存在巨大差异的问题，课题组创新的提出了时间统一尺度算法；为满足微波能工业应用需要对于大尺度物料仿真计算进，课题组采用了高效集群并行技术；为了进一步提高微波能作用效率，课题组首次在微波场条件下采用分子动力学研究微波与分子之间的相互作用，为微波能应用最佳参数提供保证。在微波能应用的安全性方面：针对微波能工业应用中控制系统在长期大功率辐射条件下容易早期失效而造成可靠性下降导致微波能控制系统存在重大安全隐患的问题，首次协同多物理场场与电路方程，研究了长时间微波环境中半导体电路失效的机理，并进行针对性设计，有效解决微波能工业应用中的安全问题。该项目中涉及的创新点如下：针对微波能加热过程中介电常数剧烈改变造成计算量无预测变化的特点，研究并首次提出基于启发式规则的动态并行任务分配等高效集群技术；研究时间尺度统一算法以大幅度地缩短电磁场和温度场协同计算时间；开发了具有自主知识产权的“JINSHa”集群计算软件和配套的128台节点机计算集群组成的计算平台，实现了对工业生产中微波大规模加热过程的仿真与分析。查新结论为：国内外未见同时具有多物理场协同计算、时间统一尺度算法和集群并行计算功能的多场协同并行计算平台的文献报道。首次将电动力学与分子动力学模拟结合协同计算的研究结果用于指导微波能工业生成，即研究微波场强度对褐煤中的氢键空间构型的影响，从而提高褐煤的脱水率。查新结论为：国内外未见同时实现了电动力学与分子动力学模拟协同计算用于研究微波辐射下氢键空间构型的变化的文献报道。首次协同多物理场与电路方程，研究了长时间微波环境中半导体电路失效的机理，并进行针对性设计有效解决微波能工业应用中的安全问题。查新结论为：国内外未见半导体器件多物理场（载流子和热传导以及电磁场）和电路仿真协同算法，即：将电路中关键和敏感半导体器件进行多物理场计算，对电阻和电容等一般性器件则忽略其大功率微波效应，采用基于等效模型的电路仿真，利用变节点分析法和雅克比矩阵推导了协同计算的迭代计算方程，实现对电路系统大功率微波效应的仿真计算的文献报道。通过该项目研究，对微波加热过程中的电磁场与热力学场等进行多物理场协同计算，以此为基础采用了时间统一尺度算法和高效集群并行技术，完成了对微波能工业应用过程的计算仿真，并进一步将电动力学与分子动力学模拟协同计算，揭示了微波与工业物料的相互作用机理，解释了微波作用工业物料中可能存在的特殊效应，有效提升了微波能应用工业生产的效能；首次将场路结合共同研究大功率微波辐射对控制系统的影响和半导体器件早期失效理论，有效提升了微波能工业应用的安全性，通过该项目研究发表了一批高质量论文，总篇数37篇，其中ScI21篇，EI9篇，并将该项目研究成果成功应用于生产企业，为企业产生经济效益10972.9万元，带来了巨大的经济效益和社会效益。