《微納電動流體的輸運機理及套用》是依託清華大學，由王沫然擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：微納電動流體的輸運機理及套用
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：王沫然
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
微納電動流體在能源環境等領域有非常重要的套用背景，是當前傳熱傳質領域的研究前沿之一。與常規尺度電動流體相比，微納電動流體研究面臨的主要挑戰在於界面處的多物理化學效應、多尺度效應以及強非線性等。針對這些難點，本項目主要採取理論分析與數值模擬緊密結合的方法，構建微納通道壁面上受吸附和極化等多物理化學作用下的電荷分布理論模型，建立微納流動的多尺度理論關聯模型，並詳細分析微納電動流體輸運特性的非線性效應，揭示微納電動流體的輸運機理；在此基礎上建立分析微納電動流體輸運的理論和模擬方法；同時，對利用納米通道直接將機械能轉化為電能的新型能源轉換裝置以及利用納米通道內離子濃度極化現象淡化海水等具體實例進行性能分析，提出新型或最佳化設計方案。
結題摘要
微納電動流體在能源環境、材料加工以及生物檢測等領域有非常重要的套用背景，對其機理及規律的研究是當前流體力學與傳熱傳質方向的研究前沿。與常規尺度電動流體相比，微納電動流體面臨的主要挑戰在於界面處的多物理化學效應、結構及物理過程的多尺度效應以及非線性效應等。針對這些難點，本項目主要採取理論分析緊密結合數值模擬的方法對微納尺度下的電動流體流動與傳熱傳質規律及機理開展了系統研究，主要結果包括：（1）提出了“熱-電-化學耦合遷移”模型，修正了PNP方程，並揭示了溫度梯度對濃度混合強化作用的非線性影響規律；（2）闡明了微-納通道連線處Donnan平衡理論的適用性，並提出了Q因子作為適用判據；（3）開發高效介觀尺度數值算法，模擬揭示了電動牛頓流體與非牛頓流體在不同構型多孔介質中電滲流的滲流特性；（4）模擬明晰了多孔介質固體結構介電常數對電滲流特性的影響規律；（5）考慮到流固界面處的化學反應，建立了電動-反應耦合的數值模擬算法和程式，闡明了核廢料保護或二氧化碳地質埋存過程中需要考慮“輸運主導”還是“反應主導”兩個分區，不同分區下的輸運與反應規律有所不同，從而影響地質結構及滲流規律；（6）結合熱力學倒易關係，分析了機械能直接轉換為電能的微納通道裝置的轉換效率與最佳化方法；（7）分析了電紡加工納米材料過程中的電動作用與流動的耦合效應，為電紡過程及材料最佳化提供理論支持；（8）結合微納通道內的顆粒流模型，為細胞分離和篩選套用提供了方案最佳化依據。在本項基金的支持下，共發表了SCI收錄的國際期刊論文19篇（第一致謝標註），其中有2篇發表在影響因子20以上的期刊上，EI收錄的中文核心期刊論文5篇，英文著作章節4章；已培養畢業碩士研究生2名，出站博士後2名，另有在讀博士碩士研究生5名。鑒於項目負責人在電動流體方面的貢獻，國際期刊Journal of Colloid and Interface Science(影響因子3.3)邀請負責人自2015年起擔任期刊的編委，擴大了中國學者在本領域的國際影響和發言權。
