复杂物理场中多相相间作用及能质传输运机理与多流场多相流模型

In this reseach project we will focus on the interactions between or among multiphases and the transport mechanisms of the mass-energy transfer processes of multipase flow for solar photocatalytic hydrogen production under complex multi-physical fields, especially on the mechanism and dynamics of nucleation, bubble formation, motion and development of hydrogen gas bubbles.Based on the electron-hole transfer theory we will build up the mass-energy transfer mechanism model for every key steps in the solar-hydrogen production process and system. The action mechanisms of driving forces and resistances will be revealed and the numerical evaluation model for the mass-energy transfer process of solar photocatalytic hydrogen production will be founded in this project. The multi-field model is introduced in gas-liqud two-phase and multiphase flow calculation. And the change of diameter of the dispersed particles will be modelled by one-group interfacial area concentration transport equation. The closure relationships used in the numerical caculations, for example, the entrainment rate of the dispersed phase, will be studied theoretically and experimentally. And a general three-dimensional thermophysic model of multipahse flow will be established or developed to realize the dynamic prediction of gas-liqud two-pahse flow at a relatively low computational cost, and to analyze the phenomena of the pressure wave or sound wave propagation characteristics with pahse change and to reveal the underlying physical mechanisms. Focusing on the transportations of mass and energy, we will resolve the interphase interactions and transport problems in complex physical fields and develop a new field of photo-thermal-chemical multipahse flow in this project.

本项目主要研究太阳能光解制氢等能量转化与传输过程中复杂多物理场作用下的多相相间作用和输运机理，特别是氢气泡的形成和发展动力学，基于光生电子-空穴的迁移构建"太阳能-氢能"体系内能质传输转化每个关键步的受限理论，揭示太阳能光解制氢能质传输过程中驱动力和阻力作用的机理并建立准确的计算模型；同时对气液两相与多相流引入多流场多相流模型，采用单群界面浓度输运方程考虑离散相粒子直径的变化，通过实验及理论研究建立三维气液两相流中相间由于夹带等现象引起的一系列质量交换计算模型；建立和发展普适性的完整的多流场三维多相流热物理模型；在相对较低的计算耗时下，实现对气液两相流的动态跟踪和三维数值预测模拟；建立关于存在相变的压力波传播的系统性认识并揭示其规律。紧密围绕能质输运及转化过程，解决复杂物理场作用下的多相相间互作用及能质输运机理与数理建模等关键科学问题，孕育多相流光热化学物理这一新型交叉学科分支理论。

本项目瞄准国家能源科学技术发展战略，结合国际多相流与氢能学科发展新趋势，针对太阳能光解制氢等能量转化与传输过程中复杂多物理场作用下的多相相间作用和输运等前沿科学问题，集中在氢能规模制备集储与利用中的多相流光热化学反应和复杂约束条件多相流能质传递基本现象与共性规律两大方面进行研究，具体包括太阳能聚光催化连续流制氢体系及示范系统的构建，复杂多尺度多相流相间作用和能质输运理论，油气采输过程中的多相流热物理理论与关键技术以及超临界水蒸煤气化制氢新原理等。在基于高效光催化材料的直接太阳能制氢体系研究方面，研发并搭建了可视化原位光电转换和外部扰动控制气泡行为的测试系统，提出了微纳结构表面反应产物输运过程中的气泡成核理论，建立了基于分子扩散及表面更新理论的气泡生长行为预测模型，提出半导体光催化材料能带结构定向调控和连续调变理论，将光催化剂的高效光吸收成功扩展至整个可见光区，研制成功直接太阳能光催化多相流连续制氢中试和大型示范系统，用非贵金属催化剂获6.6%的系统光氢转化效率，达到可产业化的国际同期最高水平。在复杂多流场多相流与热质传递数理模型方面，构建了气液两相流中由于气泡夹带、逸出、相变等现象引起的一系列质量传递计算模型，建立了普适性的完整的多流场热物理模型，实现了较低计算开销下对相界面的动态追踪和流场参数的准确预测，研发建成了参数和功能均达国际最高的大型深海油气采输管道多相流实验系统，开发了拥有自主知识产权的用于实时控制的关键参数快速计算模型与流动安全保障技术。针对太阳能聚焦热驱动的生物质超临界水气化制氢过程，开展太阳能吸热腔、反应器、物料颗粒、孔、分子尺度的物质流与能量流分析，讨论各个尺度的速度控制步骤并获得了动力学调控手段，相关理论在长期稳定运行的1t/h处理量的太阳能聚热耦合超临界水气化制氢工业示范系统得到验证。研究成果获国家自然科学二等奖1项，省部级一等奖2项和国际学术奖4项，入选教育部中国高等学校十大科技进展；发表国际期刊论文101篇，国际会议大会主旨报告10次；申报发明专利42项，已授权16项；新增中国科学院院士1人，全国创新争先奖1人，万人计划1人，优青2人，青年长江1人，青拔1人；培养博士20人、硕士1人。项目实施对推动多相流光热化学物理这一新型交叉学科分支理论创新，实现能源高效洁净、节约和可再生转化利用，促进国民经济发展具有重大的科学意义和社会经济效效益。