科技成果

2018年高等学校科学研究优秀成果奖（自然科学一等奖）

成果简介

能源、环境及化工等领域广泛存在具有相变和反应的能质传递和转化问题，具有多区域、多场、传递与转化等相互耦合的特点，是影响装备性能的关键热物理问题，对提升性能至关重要。本项目针对上述领域中共性的多场耦合能质传递机理及其强化和调控方法的前沿科学问题开展研究工作，取得了系列原创性研究成果。主要发现点有：

一、分区耦合多相传递可视化实验方法及其机理与特性：创新了滞止流和通流槽道内逸出速率及位点可控的液滴和气泡动力学行为、变孔隙率网络流道及其与外部流场耦合的两相流动、毛细阻力可调的多孔层内相变传热及含反应边界的两相流及传递等可视化实验方法。获得了逸出液滴聚合衰减震荡机理及规律；发现了微孔逸出气泡脱离后涌入和界面震荡现象；揭示了具有壁面逸出气泡的槽道内两相流规律；阐明了具有微孔层和结构缺陷的气体扩散层内两相分布特征；厘清了反向式毛细蒸发器多孔层内相分布规律及其对相变传热的影响机理；揭示了燃料电池内两相流动和传输以及电化学反应的相互作用规律，获得了流道水淹与压降之间的定量关系及膜电极表面温度分布特性。

二、多元多相分区耦合能质传递及转化理论模型：建立了多场耦合固体基质表面细胞吸附成膜理论模型，揭示了生物膜结构与能质传递及产氢/产电性能的相互关系；建立了含生化反应的多孔填料床内多相能质传递的毛细管模型和多相混合模型，阐明了流动和传输与生化反应的耦合特性，为固定化细胞生物反应器性能预测提供了方法；建立了毛细结构材料内分区耦合相变传热理论模型，为反向式毛细蒸发器和微槽膜状凝结换热提供了理论计算方法；提出燃料电池两相传输三维孔隙网络模型和气体有效扩散系数的分形模型，首次利用VOF 方法模拟了边壁具有逸出液滴的燃料电池流道内细观两相流行为，揭示了多孔扩散层与流场板流道内两相流的耦合关系以及流道结构和工况参数对两相流特性的影响规律。

三、多场耦合能质传递强化及调控方法：基于分区耦合强化传热思想，提出了三维肋表面和螺旋扭带组合强化传热新方法；通过分区流动和传递强化与调控，发展了三维柱状阵列结构阳极微流体燃料电池，显著提升了电池性能；利用石墨烯表面修饰，实现了多孔电极内微生物产电菌电子转移速率和活性生物量调控和强化；创新性利用流场/浓度场/温度场/光场的强化和调控，结合表面修饰和弥散光导体技术，实现微生物生化转化全过程强化；提出了通过外接电阻控制阳极电势诱导和调控生物膜结构，强化了质子传输，大幅提升了微生物燃料电池性能。