复杂多孔结构内的定向传递强化及其调控机理

The mechanism of heat/mass transport under the conditions of chemical reaction and mass transfer is very important for many practical applications such as the reforming reaction within the packed beds, mass transport within the porous electrode of SOFC, chromatographic separation and iron ore sintering, etc. In this project, by using the theoretical analysis, numerical simulation and experimental testing methods, the influences of geometrical and flow parameters on the directional transfer mechanisms will be firstly investigated, in order to reveal the "heat - mass - flow" coupling mechanism and the corresponding control method. Then the Best Match in each direction of porous structure will be obtained by using different control methods, therefore the directional transfer enhancement could be achieved on the basis of "large-scale plug-flow, small-scale disturbance". The main contents include: (1) directional transport performance for typical porous structures; (2) the influences of geometrical parameters on the directional transfer mechanisms of porous structures; (3) the influences of flow parameters on the directional transfer mechanisms of porous structures; (4) heat/mass transfer optimization based on the directional transport enhancement of porous structures. The appropriate assessment system will be established, and the corresponding transport enhancement principle will be proposed. The research has important academic significance and application value not only for the transport enhancement for complex porous structures, but also for energy conservation and emission reduction of the process industries.

本项目以小管径比堆积床中的重整反应、SOFC多孔电极内的质量传输、色谱分离和铁矿石烧结等存在化学反应及传质条件下热质传递的实际应用为背景，通过理论分析、数值模拟和实验测试等研究方法，在研究几何及流动参数对多孔结构定向传递特性影响机理的基础上，揭示“热-质-流”强耦合机理及其控制方法，并通过采用不同调控手段获得多孔结构内各方向能质传递的最佳匹配，从而实现基于“大尺度推流、小尺度扰动”的定向传递强化。主要研究内容包括：(1) 典型多孔结构内各向传递基本特性的研究；(2) 几何参数对多孔结构内定向传递特性的影响机理；(3) 流动参数对多孔结构内定向传递特性的影响机理；(4) 基于定向传递强化的多孔结构能质传递优化。在此基础上建立相应的评估体系，提出强化原则，研究结果对复杂多孔结构内能质传递强化进而实现过程工业的节能减排具有重要的学术意义和应用价值。

本项目以小管径比堆积床内的重整反应、SOFC多孔电极内的质量传输、色谱分离和铁矿石烧结、高温固体散料余热回收等存在化学反应及传质条件下热质传递的实际应用为背景，拟揭示“热-质-流”强耦合机理及其控制方法，并实现基于“大尺度推流、小尺度扰动”的定向传递强化。目前主要研究成果包括：（1）在各向传递机理方面：基于泰森多边形原理，构建了二维有序堆积结构中的等效电路模型，可快速预测堆积床中的各向流动特性法。基于壁面加密结构化网格与大涡模拟方法，准确预测了圆球颗粒扰流阻力系数与努塞尔数，揭示了颗粒绕流尾迹区涡结构的变化规律。并构建离散颗粒流中的热阻模型，揭示缓慢重力驱动颗粒流中的热传递规律，为工业应用中移动床换热特性预测完善计算方法。采用平均停留时间分布法对其推流特性进行了分析和比较，当推流度越高，颗粒表面对流传热系数分布也越均匀。（2）在几何参数影响方面：对于复杂形貌颗粒，综合考虑颗粒圆度等因素，重新拟合了具有更高精度的传热关联式。通过在颗粒表面引入凹坑结构，有效增强了堆积床内的“小尺度扰动”。对于堆积形式影响，提出了格栅-颗粒复合堆积模型，实现了颗粒的快速有序堆积，并提高了堆积床内的综合换热效率，以及化学反应效率。另外，基于体积平均方法获得了颗粒有序堆积床内的传质的多种关联式，提出并构建了梯度孔隙模型，有效提高了SOFC的传质和电性能。（3）在流动参数影响方面：对带有燃烧及化学反应的多孔介质，采用燃气偏吹方法，可明显改善其反应综合特性，并通过软件模拟的方法探究了强化的机理。其次，设计并搭建了超声干扰微流动实验台，获得了超声干扰对微通道内定向传质强化的影响规律。这些研究结果揭示了典型多孔结构内各向传递的基本特性以及几何参数和流动参数对多孔结构内定向传递特性的影响机理，为后期开展多孔结构内能质传递定向强化研究奠定了坚实基础。并通过实验发现纳米颗粒的和超声波的加入可以较少石蜡相变材料潜热融化时间。