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西安交大科研人员在多孔介质孔隙尺度输运过程研究方面取得系列进展

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在能源、环境、化工等领域,普遍发生着多孔介质中多物理场耦合输运过程(流动、传热、传质、化学反应及固体结构演等过程),如燃料电池、电子芯片冷却、热化学储能、核反应堆、二氧化碳地质封存及利用、油气开采等。在这些过程中,多孔介质结构复杂、多物理场耦合紧密、微纳尺度效应明显、跨界面输运机理复杂。多孔介质中输运过程对相关系统性能或过程效率起重要甚至是决定性的作用,是工程热物理及相关学科的前沿科学问题。

当前研究中存在“现有实验手段对多孔介质中复杂传递过程实时观测及表征存在困难、现有多孔介质宏观模型唯象和经验参数多、多孔介质宏观整体性能研究多而微观尺度关键过程细节研究少”等主要问题。针对这些问题,能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室陈黎教授课题组一直致力于发展孔隙尺度数值模拟方法,表征并重构多孔介质实际三维结构,基于实际结构研究多孔介质中微纳米尺度的多物理场耦合输运过程。在发展孔隙尺度及多尺度研究方法、查明关键物理量孔隙尺度分布规律、揭示微纳尺度多场耦合过程机理、构建准确的多孔介质模型等方面取得了相关研究成果。与东方电气、中国核动力院、华电集团、长庆油田、塔里木油田等单位开展合作,研究成果获得了应用。

11月9日,该项研究成果以“多孔介质复杂传递过程的孔隙尺度研究”(Pore-scale modeling of complex transport processes in porous media)为题在能源领域顶级期刊《能源与燃烧科学进展》(Progress in Energy and Combustion Science IF=29.4)上发表长篇综述论文。西安交通大学陈黎教授、东京大学An He博士、瑞士苏黎世联邦理工学院Jianlin Zhao博士、美国Los Alamos国家实验室Qin-Jun Kang高级研究员为论文共同第一作者,西安交通大学陈黎为通讯作者,东京大学Naoki Shikazono教授、瑞士苏黎世联邦理工学院Jan Carmeliet教授、西安交通大学李增耀教授、西安交通大学陶文铨教授为共同作者。该论文基于西安交通大学在先进孔隙尺度模型构建、方法发展及在质子交换膜燃料电池、二氧化碳地质封存、油气开采、亚临界沸腾等领域的工作,日本东京大学在固体氧化物燃料电池的工作,瑞士苏黎世联邦理工学院在油气开采的工作,以及美国Los Alamos国家实验室在先进孔隙尺度模型构建和方法发展方面的工作,结合国际研究动态,全面回顾了孔隙尺度数值方法的发展现状、挑战及应用,并对未来研究方向进行了展望。

该项研究受到国家自然科学基金、陕西省自然科学基金等多个项目的支持。陈黎教授课题组系列研究成果发表在《国际传热传质》(International Journal of Heat and Mass Transfer),《计算物理》(Journal of Computational Physics),《物理评述E》(Physics Review E),《化学工程》( Chemical Engineering Journal),《应用能源》(Applied Energy),《电源技术》(Journal of Power Sources),《水资源研究》(Water Resource Researches),《纳米能源》(Nano Energy)等国际知名期刊上。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.pecs.2021.100968

2021-11-14
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