复杂流体液滴在热-流-电动多机制耦合作用下传递的介尺度模拟

This project proposes to explore the multiphysical coupling transport mechanisms and optimization for regulation and controling of mesoscopic transports of mass, momentum and thermal energy in multiphase reactor based on mechanics, electrodynamics and thermophysics using a combination method between theoretical analysis and large scale mesoscopic hybrid modeling. We are expecting to establish mathematical models and numerical methods to accurately describe the micro drop movements which may contain macromolecular chains driven by the shear force at the liquid-liquid interface under the thermo-mechanical-electrokinetic conjugate constraints and environment. By multiscale modeling and analysis, we are to build up across-scale correlations and theoretical models for the multiphysical transport of mesoscopic drops and inclusions, so as to reveal the complicated effects and mechanisms. This research is expected to provide some theoretical and technical supports for chemical multiphase reactors and high-efficiency utilization.

本申请采用理论分析与大规模介尺度模拟相结合的研究方法，从力学、电动、传热和传质的多学科角度对多相反应器中微纳液滴的质量、动量以及热量多物理机制耦合的传递机理及调控优化展开探索研究。预期建立可以准确描述复杂流体（内含大分子链等）液滴在热-流-电动耦合条件及环境下在界面剪切作用下运动的数学模型及数值方法，通过多因素混合模拟与分析，建立介尺度液滴及内含物多物理传递的尺度关联及理论模型，从而阐释复杂流体液滴运动过程中存在的热-流-电动耦合及多相界面耦合作用对多相反应传递过程的影响，为化工反应器高效应用提供一定的理论和技术支持。

本项目重点针对石油化工过程中出现的复杂流体微小液（油）滴在反应器内传递行为，从流体力学、电动力学和热物理的角度对多相流体介尺度质量、动量以及热量多机制耦合的传递机理展开探索研究。重点研究可以准确描述复杂流体液滴在热-流-电动多机制耦合的条件及环境下在界面剪切作用下运动的数学模型及数值方法，通过课题组攻关及与重大研究计划项目组交流，在三方面取得重要进展：（1）基于格子Boltzmann框架建立了模拟复杂流体液滴非牛顿行为多相输运的介尺度算法，实现了多机制耦合作用下的网格自适应加密算法；（2）建立了模拟微液滴在主流剪切作用下变形及运动的跨尺度混合模拟算法；（3）揭示了复杂液滴在多机制耦合作用下的输运机理及尺度效应。课题组在本项目资助下共发表论文11篇，其中SCI收录10篇；培养毕业博士硕士7人，博士后出站1人；项目负责人入选科技部领军人才推进计划“中青年科技创新领军人才”，并获得国际多孔介质学会的“InterPore Procter & Gamble Award”奖励。