引言
传统热加工方法，如蒸汽、红外和热空气加热，依靠辐射、对流和传导将热量从外部源传递到材料内部。这些方法通常加热时间长，加热效率低，且能耗相对较高。此外，材料表面长时间暴露于高温可能导致表面过热、水分流失和质量下降 (Wei et al., 2021)。相比之下，微波加热是一种基于体积内热源产生的热加工技术。其加热机制源于微波电磁场与材料内部极性分子和离子的直接相互作用，这使得电磁能在材料内部快速转化为热能 (Chen et al., 2021)。因此，微波加热在加热速率、加工效率和能量利用方面具有明显优势 (-Nguyen and Songsermpong, 2022)。因此，它已成为食品加热、干燥和热加工的有吸引力的替代方案 (Dehghannya and Ghods, 2025; Rowe, 2015)。然而，加热均匀性差仍是微波加热实际应用中的主要挑战。它可能导致热点、冷点和边缘过热，从而限制其进一步发展和广泛应用 (An, et al., 2022; Farag et al., 2011; Yan et al., 2025)。关于微波加热均匀性的现有研究主要集中在两个方面 (Joardder and Karim, 2025)。在设备层面，通过优化腔体结构 (Huseyin and Ferruh, 2021)、波导排列 (Hyeop, et al., 2020; Patel, et al., 2024)、工作频率 (Resurreccion, et al., 2015; Yang, et al., 2021) 和功率控制策略 (Konar, et al., 2025)，以及引入动态部件 (Palazo?lu and Miran, 2018) 如模式搅拌器 (Tian et al., 2025) 和旋转转台 (Pitchai et al., 2014; Wipawee et al., 2021; Chen et al., 2023)，改善了腔内的电磁场分布。在样品层面，主要关注介电特性 (Russo et al., 2025)、形状 (Deepak, et al., 2023; Tanmay, 2022; Zhang, et al., 2018)、尺寸 (Tanmay, 2022; Zhang, et al., 2018) 和空间位置 (Deng, et al., 2024; Pu, et al., 2017) 对微波能量吸收和温度分布的影响。总的来说，先前的研究从设备和样品尺度提出了各种策略来改善微波加热均匀性。然而，大多数这些研究假设无容器加热条件，或将容器简单视为支撑载体。容器作为介电介质在微波场重新分布中的作用仍未得到充分探索。
在实际微波加热过程中，样品通常放置在容器内或支撑结构上。因此，容器不仅仅是一个持有工具。它还作为介电介质参与微波的反射、透射和吸收，从而进一步影响样品内部的能量沉积和温度分布 (Bhattacharya et al., 2017)。早期的研究表明，支撑层、额外的介电板和多层介电结构可以在微波加热过程中调节电磁响应和加热模式 (Basak et al., 2006; Samanta and Basak, 2008; Durairaj and Basak, 2009; Domínguez-Tortajada et al., 2007)。最近，García-Ba?os 等人 (2022) 也证实额外的介电层可以重构局部场分布并优化加热模式。这些研究为使用复合介电结构控制微波场分布提供了理论基础。然而，它们主要基于板式支撑层或简化的分层模型。
最近关于实际容器和包装的研究也表明，多隔室布局和包装结构会影响微波加热均匀性 (Klinbun et al., 2023; Liu et al., 2023)。相比之下，关于容器本身的研究主要关注介电特性和厚度效应。Bhattacharya 等人 (2017) 和 Bhattacharya 与 Basak (2020) 研究了由低损耗氧化铝和高损耗碳化硅制成的管状容器，并表明容器介电特性会显著改变样品的微波加热行为。具有不同损耗特性的容器对高损耗和低损耗样品表现出不同的调节作用，容器厚度是控制加热效率和加热质量的关键因素。对于低损耗样品，Bhattacharya 和 Basak (2023) 进一步表明，低损耗容器（如有机玻璃和玻璃）厚度的变化会显著影响吸收功率强度、加热锋面位置和空间加热均匀性。此外，Zhu 等人 (2023) 和 Punathil (2023) 进一步证实，容器损耗特性和厚度在加热效率和均匀性中都起着重要作用。他们的结论分别来自对高损耗薄壁圆柱形容器和吸收体厚度的研究。此外，Yu 等人 (2026) 使用简化的圆柱形容器进一步研究了样品 - 容器间隙的影响。他们发现间隙尺寸显著影响电场分布、功率吸收和温度均匀性，且最佳间隙随容器材料而变化。
总的来说，先前的研究为支撑层、复合介电层、容器材料和厚度对微波加热均匀性的影响提供了初步见解。然而，所研究的系统主要局限于简化模型，如板式、层状、管状或简单圆柱形结构。更实用的容器设计（包括底层设计、几何配置和复合材料分层）的加热调节机制仍未得到充分了解。基于此，选择土豆作为模型食品，并考虑了四种典型容器材料，即聚丙烯、硼硅酸盐玻璃、氧化铝陶瓷和碳化硅。使用有限元软件建立了耦合电磁场 - 热传递 - 质量传递模型，并通过实验进行了验证。在验证模型的基础上，系统研究了容器配置演化、底部几何参数和复合材料设计对电场分布、微波吸收效率和温度分布的影响。本研究旨在阐明容器配置和复合材料对微波加热过程的影响，并为高性能微波食品容器的设计和优化提供理论基础。
