多場耦合能質(zhì)傳遞強化及調(diào)控理論與方法
能源、環(huán)境及化工等領(lǐng)域廣泛存在具有相變和反應(yīng)的能質(zhì)傳遞和轉(zhuǎn)化問題, 具有多區(qū)域、多場、傳遞與轉(zhuǎn)化等相互耦合的特點,是影響裝備性能的關(guān)鍵熱物 理問題,對提升性能至關(guān)重要。本項目針對上述領(lǐng)域中共性的多場耦合能質(zhì)傳遞 機理反其強化和調(diào)控方法的前沿科學問題開展研究工作,取得了系列原創(chuàng)性研究 成果。主要發(fā)現(xiàn)點有: 一、 分區(qū)耦合多相傳遞可視化實驗方法及其機理與特性:創(chuàng)新了滯止流和通 流槽道內(nèi)逸出速率及位點可控的液滴和氣泡動力學行為、變孔隙率網(wǎng)絡(luò)流道及其 與外部流場耦合的兩相流動、毛細阻力可調(diào)的多孔層內(nèi)相變傳熱及含反應(yīng)邊界的 兩相流及傳遞等可視化實驗方法。獲得了逸出液滴聚合衰減震蕩機理及規(guī)律;發(fā) 現(xiàn)了微孔逸出氣泡脫離后涌入和界面震蕩現(xiàn)象;揭示了具有壁面逸出氣泡的槽道 內(nèi)兩相流規(guī)律;闡明了具有微孔層和結(jié)構(gòu)缺陷的氣體擴散層內(nèi)兩相分布特征;厘 清了反向式毛細蒸發(fā)器多孔層內(nèi)相分布規(guī)律反其對相變傳熱的影響機理;揭示了 燃料電池內(nèi)兩相流動和傳輸以及電化學反應(yīng)的相互作用規(guī)律,獲得了流道水淹與 壓降之間的定量關(guān)系及膜電極表面溫度分布特性。 二、 多元多相分區(qū)耦合能質(zhì)傳遞及轉(zhuǎn)化理論模型:建立了多場耦合固體基質(zhì) 表面細胞吸附成膜理論模型,揭示了生物膜結(jié)構(gòu)與能質(zhì)傳遞及產(chǎn)氫/產(chǎn)電性能的 相互關(guān)系;建立了含生化反應(yīng)的多孔填料床內(nèi)多相能質(zhì)傳遞的毛細管模型和多相 混合模型,闡明了流動和傳輸與生化反應(yīng)的耦合特性,為固定化細胞生物反應(yīng)器 性能預(yù)測提供了方法;建立了毛細結(jié)構(gòu)材料內(nèi)分區(qū)耦合相變傳熱理論模型,為反 向式毛細蒸發(fā)器和微槽膜狀凝結(jié)換熱提供了理論計算方法;提出燃料電池兩相傳 輸三維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型和氣體有效擴散系數(shù)的分形模型,首次利用V0F方法模擬 了邊壁具有逸出液滴的燃料電池流道內(nèi)細觀兩相流行為,揭示了多孔擴散層與流 場板流道內(nèi)兩相流的耦合關(guān)系以及流道結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)對兩相流特性的影響規(guī) 律。 三、多場耦合能質(zhì)傳遞強化及調(diào)控方法:基于分區(qū)耦合強化傳熱思想,提出 了三維肋表面和螺旋扭帶組合強化傳熱新方法;通過分區(qū)流動和傳遞強化與調(diào)控, 發(fā)展了三維柱狀陣列結(jié)構(gòu)陽極微流體燃料電池,顯著提升了電池性能;利用石墨 烯表面修飾,實現(xiàn)了多孔電極內(nèi)微生物產(chǎn)電菌電子轉(zhuǎn)移速率和活性生物量調(diào)控和 強化;創(chuàng)新性利用流場/濃度場/溫度場/光場的強化和調(diào)控,結(jié)合表面修飾和彌 散光導(dǎo)體技術(shù),實現(xiàn)微生物生化轉(zhuǎn)化全過程強化;提出了通過外接電阻控制陽極 電勢誘導(dǎo)和調(diào)控生物膜結(jié)構(gòu),強化了質(zhì)子傳輸,大幅提升了微生物燃料電池性能。
重慶大學
2021-04-11