微纳电动流体的输运机理及应用

微纳电动流体在能源环境等领域有非常重要的应用背景，是当前传热传质领域的研究前沿之一。与常规尺度电动流体相比，微纳电动流体研究面临的主要挑战在于界面处的多物理化学效应、多尺度效应以及强非线性等。针对这些难点，本项目主要采取理论分析与数值模拟紧密结合的方法，构建微纳通道壁面上受吸附和极化等多物理化学作用下的电荷分布理论模型，建立微纳流动的多尺度理论关联模型，并详细分析微纳电动流体输运特性的非线性效应，揭示微纳电动流体的输运机理；在此基础上建立分析微纳电动流体输运的理论和模拟方法；同时，对利用纳米通道直接将机械能转化为电能的新型能源转换装置以及利用纳米通道内离子浓度极化现象淡化海水等具体实例进行性能分析，提出新型或优化设计方案。

微纳电动流体在能源环境、材料加工以及生物检测等领域有非常重要的应用背景，对其机理及规律的研究是当前流体力学与传热传质方向的研究前沿。与常规尺度电动流体相比，微纳电动流体面临的主要挑战在于界面处的多物理化学效应、结构及物理过程的多尺度效应以及非线性效应等。针对这些难点，本项目主要采取理论分析紧密结合数值模拟的方法对微纳尺度下的电动流体流动与传热传质规律及机理开展了系统研究，主要结果包括：（1）提出了“热-电-化学耦合迁移”模型，修正了PNP方程，并揭示了温度梯度对浓度混合强化作用的非线性影响规律；（2）阐明了微-纳通道连接处Donnan平衡理论的适用性，并提出了Q因子作为适用判据；（3）开发高效介观尺度数值算法，模拟揭示了电动牛顿流体与非牛顿流体在不同构型多孔介质中电渗流的渗流特性；（4）模拟明晰了多孔介质固体结构介电常数对电渗流特性的影响规律；（5）考虑到流固界面处的化学反应，建立了电动-反应耦合的数值模拟算法和程序，阐明了核废料保护或二氧化碳地质埋存过程中需要考虑“输运主导”还是“反应主导”两个分区，不同分区下的输运与反应规律有所不同，从而影响地质结构及渗流规律；（6）结合热力学倒易关系，分析了机械能直接转换为电能的微纳通道装置的转换效率与优化方法；（7）分析了电纺加工纳米材料过程中的电动作用与流动的耦合效应，为电纺过程及材料优化提供理论支持；（8）结合微纳通道内的颗粒流模型，为细胞分离和筛选应用提供了方案优化依据。在本项基金的支持下，共发表了SCI收录的国际期刊论文19篇（第一致谢标注），其中有2篇发表在影响因子20以上的期刊上，EI收录的中文核心期刊论文5篇，英文著作章节4章；已培养毕业硕士研究生2名，出站博士后2名，另有在读博士硕士研究生5名。鉴于项目负责人在电动流体方面的贡献，国际期刊Journal of Colloid and Interface Science(影响因子3.3)邀请负责人自2015年起担任期刊的编委，扩大了中国学者在本领域的国际影响和发言权。