En un artículo recientemente publicado en Scientific Reports [1], el autor utilizó COMSOL Multiphysics^® como plataforma central para desarrollar un modelo multifísico de un reactor de lecho fijo calentado por microondas, como se muestra en la Figura 1. En su núcleo, el diseño consiste en un eje rotatorio acoplado a un agitador personalizado, alojado dentro de un depósito metálico que actúa como cavidad resonante de microondas (MW). El agitador está fabricado con componentes metálicos capaces de soportar las tensiones mecánicas impuestas por el lecho denso y abrasivo de esferas de carburo de silicio (SiC).

Figura 1. Esquema del refrigerador TEC de material PbTe, con dimensiones y materiales.

El reto consistió en acoplar electromagnetismo (2.45 GHz), flujo turbulento en medio poroso (Brinkman–Forchheimer) y transferencia de calor, incorporando además una permitividad efectiva dependiente de la temperatura obtenida mediante un workflow externo Python–COMSOL con optimización (Nelder–Mead).

Para lograr una representación coherente de todos los fenómenos físicos relevantes, se implementó una estrategia de resolución iterativa estructurada de la siguiente manera:

1. Simulación de ondas electromagnéticas (Dominio en frecuencia):
   La simulación comienza con el cálculo de la propagación de microondas y la disipación de potencia dentro del medio efectivo. Las pérdidas electromagnéticas se calculan en función de la permitividad efectiva dependiente de la temperatura obtenida previamente.
2. Resolución del flujo de fluido (Dominios libre y poroso):
   Se resuelven los campos de velocidad y presión del gas nitrógeno tanto en el dominio de flujo libre como en el dominio poroso, utilizando las formulaciones apropiadas de Navier–Stokes y Brinkman–Forchheimer.
3. Análisis de transferencia de calor (Doble fase en medio poroso):
   Se resuelven las ecuaciones de transferencia de calor tanto para la fase sólida como para la fase fluida en el medio poroso. La fuente de calor se introduce en la fracción sólida, garantizando que únicamente las esferas de SiC sean calentadas por la radiación microondas, como es físicamente esperable.
4. Bucle iterativo de realimentación:
   Los pasos 2 y 3 se iteran mientras se avanza en la solución transitoria hasta que la temperatura alcanza una variación relativa inferior a una tolerancia predefinida. Si esta condición no se cumple, la simulación electromagnética (paso 1) se recalcula utilizando valores actualizados de permitividad dependiente de la temperatura, cerrando así el ciclo de acoplamiento.

En cuanto a alguno de los resultados obtenidos, la Figure 2 muestra una Vista en plano de corte de la velocidad (izquierda, m/s) y de la temperatura del fluido (derecha, °C).

Figura 2. Vista en plano de corte de la velocidad (izquierda, m/s) y de la temperatura del fluido (derecha, °C).

Este enfoque convierte a COMSOL Multiphysics^® en algo más que un solver: en la práctica, se transforma en el núcleo de un gemelo digital físicamente consistente para reactores microondas de intensificación de procesos.

Referencias

[1] González Niño, C. Modelling selective heating in microwave-heated packed-bed reactors. Sci Rep 16, 5636 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36495-1.