[发明专利]基于Comsol的微波辅助萃取多物理场耦合模型的构建方法

说明书

本发明公开了基于Comsol的微波辅助萃取多物理场耦合模型的构建方法，包括以下步骤：(1)在Comsol软件中建立微波辅助萃取多物理场耦合模型，包括构建三维几何模型、赋予材料属性、添加多物理场模块、设置初始条件和边界条件、对三维几何模型网格划分，计算三维几何模型，获得微波辅助萃取过程中多物理场的分布图以及多物理场的变化曲线；(2)以某一植物的有效成分为萃取目标对模型进行优化；(3)以其他同类植物中有效成分为萃取目标进一步验证模型的准确性。该方法能够清晰地描述微波辅助萃取过程中各物理场间的耦合关系，进而对微波辅助萃取过程的调控和优化具有一定的理论指导。

技术领域

本发明属于样品前处理和微波辅助萃取技术领域，特别涉及基于Comsol的微波辅助萃取多物理场耦合模型的构建方法。

背景技术

微波辅助萃取是一种操作简单、效率高的现代化样品前处理技术。与传统的萃取技术相比，微波辅助萃取时间短、耗能少、溶剂消耗少等优点，已被广泛应用于植物有效成分的萃取。目前关于微波辅助萃取的研究主要集中于萃取过程的参数优化方法，相应的机理研究较少，尤其是基于微波辅助萃取过程中多物理场耦合关系建立相应的理论模型尚未报道，提高萃取效果主要表现为强化传热传质过程，所以分析清楚微波辅助萃取过程中多物理场之间的耦合关系有助于揭示萃取机理、建立合理的萃取模型。基于以上分析，考虑到微波辅助萃取技术发展趋势和存在的问题，急需建立微波辅助萃取过程的理论模型用于揭示对植物有效成分微波强化萃取过程的传热传质机理，以便于能更快的确定优化实验方案。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出基于Comsol的微波辅助萃取多物理场耦合模型的构建方法，通过该方法能够清晰地描述微波辅助萃取过程中各物理场间的耦合关系，进而对微波辅助萃取过程的调控和优化具有一定的理论指导。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

基于Comsol的微波辅助萃取多物理场耦合模型的构建方法，包括以下步骤：

(1)在Comsol软件中建立微波辅助萃取多物理场耦合模型，包括构建三维几何模型、赋予材料属性、添加多物理场模块、设置初始条件和边界条件、对三维几何模型网格划分，计算三维几何模型，获得微波辅助萃取过程中多物理场的分布图以及多物理场的变化曲线；

(2)以某一植物的有效成分为萃取目标对模型进行优化；

(3)以其他同类植物中有效成分为萃取目标进一步验证模型的准确性。

优选的，所述多物理场包括微波场、温度场以及浓度场。

优选的，步骤(1)中构建三维几何模型包括：根据微波谐振腔、萃取容器以及萃取样品颗粒的实物结构建立三维几何模型。

优选的，步骤(1)中的赋予材料属性包括：构建模型涉及的材料特性，包括导热系数、电导率、相对介电常数、恒压热容、密度以及导热系数，分为五个计算域：微波谐振腔、微波空腔内空气、萃取容器、样品颗粒以及萃取溶剂；所述微波谐振腔包括腔壁和波导，材料为铜，材料属性包括相对磁导率、电导率以及相对介电常数；所述微波空腔内空气和萃取样品颗粒的材料属性包括相对磁导率、电导率、相对介电常数、恒压热容、密度以及导热系数；所述萃取玻璃容器的材料属性包括相对磁导率、电导率、相对介电常数、密度以及导热系数；所述萃取溶剂的材料属性包括相对磁导率、电导率、相对介电常数、恒压热容、密度、比热率以及导热系数。

优选的，步骤(1)中的添加多物理场模块包括：在Comsol软件中，点击“模型向导”，选择“三维模型”，在物理场选择区域依次添加“射频模块”中的“电磁波-频域”、“传热模块”中的“固体传热”、“化学物质传递”中的“稀物质传递”，其中，电磁波-频域模块用于模拟微波谐振腔和萃取容器中的电磁场分布规律；固体传热模块用于模拟萃取体系传热场中温度场分布及变化规律；稀物质传递模块用于模拟萃取传质场中萃取目标成分浓度场分布及变化规律。