微波加热作为一种新兴的绿色冶金方法,因其具有传统加热方式无法比拟的优势被广泛应用于冶金过程中的多个领域。然而,微波对冶金物料的作用机理尚不十分明确,尤其缺乏对微波加热过程的动态仿真和优化设计的系统研究,限制了微波冶金技术在更大范围内的推广应用。本文结合麦克斯韦方程、传热方程、连续性方程、以及运动方程对微波加热的动态过程进行了多物理场耦合仿真,研究了与该过程密切相关的异质材料等效电磁特性,提出了有利于提高能量利用效率的微波反应腔的优化设计方法。同时还设计了基于回音壁模式的超材料传感器,并进一步探讨了它在冶金过程中的潜在应用。(1)针对以往准静态条件下对异质材料等效介电常数的研究不能揭示其显微结构与微波相互作用的机理,建立了微波场与两相无耗异质材料相互作用的仿真模型,通过有限元方法和散射参数反演算法得到了材料随频率变化的等效介电常数。结果表明材料的微观结构变化会对其宏观电磁特性造成影响,并发现了无耗异质材料表现出的宏观介电损耗现象。(2)对于可用于描述由金属-绝缘体构成的两相异质材料等效电磁特性的三维R-C网络模型,在使用中存在计算量大、耗时长的问题,提出了有效求解该模型的一种并行算法。结果表明,该算法的加速比和并行效率随网络规模的增大以及元件数的增多而提高。同时,为了便于用户操作和使用,开发了基于该算法的仿真软件。(3)从动态的角度看微波加热主要是物质与物质之间以及物质与微波之间的相互作用,该作用随着物质微观特性、微波频率、温度、加热时间以及微波场强等因素的变化而发生改变,是一个复杂的非线性、多学科交叉问题。基于此特点,通过耦合多个物理场,系统地仿真了微波对不同材料的动态加热过程,发现了异质材料不同的显微结构所表现出的巨大宏观电磁特性差异。(4)微波反应腔是电磁波与物质相互作用的场所,设计的合理性直接关系到加热效果和能量的利用效率。如何减小馈口功率反射,提高负载对能量的吸收是微波反应腔优化设计的重点和难点。通过分析微波反应腔空载时的本征模式,指出利用空腔模式进行微波反应腔设计的不合理性,并提出了基于遗传算法的馈口反射功率优化方法。该方法可最大限度地降低多馈口之间的耦合,把96%以上的能量馈给被加热负载,有利于能量的有效利用和降低微波反应腔的设计成本,延长微波源的使用寿命。(5)回音壁模式谐振腔传感器具有极高品质因子、模式体积小、响应速度快、抗干扰能力强等优点。超材料是一种人工结构的复合材料,可以呈现出天然材料所不具有的超常物理特性。基于两者的优点,设计了一种具有外部回音壁模式的新型传感器,使电磁波与被检测物质的相互作用更强,比常规谐振腔传感器具有更高灵敏度和分辨率。可用于精密检测和传感领域,如检测生物组织是否癌变,食物是否变质,化学反应的进程,冶金物料中的水分含量以及随温度变化的材料特性等。本论文的研究成果对冶金物料的处理、微波反应器的优化设计具有指导意义。