纳米多孔结构中气体分子及固体声子传输的高阶矩方法研究

纳米多孔结构内热质传递过程在超级隔热材料、钠米储氢、极端条件下微纳米器件传热等领域中广泛存在。研究纳米多孔结构内的传热机理关键在于揭示纳米结构中基本能量载子的传输机制。本项目以典型纳米超级隔热材料二氧化硅气凝胶为研究对象，基于实验测量分析，构建多孔几何结构表征，发展高阶矩方程方法，建立纳米结构中气体分子及固体声子传输过程的数学物理模型，并建立多模式耦合模型，通过理论分析与数值模拟，揭示纳米结构中界面效应、尺度效应以及多模式传热耦合效应对多孔结构中基本能量载子输运过程的影响机理与规律，为纳米多孔材料的传热控制奠定基础。研究结果对超级隔热材料的性能预测和研制具有重要的指导意义，对新能源储存、微纳米器件流动传热等涉及微观传递过程的工程领域均具有借鉴价值。

微纳米尺度多孔材料中的流动和传热现象在能源动力、航空航天及微电子科技以及等领域广泛存在。本项目从多孔介质孔隙中非平衡气体的流动传热，固体骨架中声子传热与微纳尺度辐射传热三个角度对于多孔材料的传热特性进行了系统研究。以开发高效准确的非平衡气体模型为目标，通过发展高阶矩方程及相关的数值计算方法，对微尺度下气体的Couette流动、Poiseuille流动、热蠕流动进行了系统的数值分析。通过数值模拟与理论分析，发展了声子Boltzmann输运方程的数值方法求解声子传热，实现对热电薄膜材料的多孔结构优化设计，为提高热热电材料的性能提供了理论指导。结合实验研究，通过数值模拟与理论分析，系统地研究了纳米多孔材料传热特性，揭示了纳米多孔材料气相、固相及辐射传热机理，并建立和发展了相应的传热理论模型与数值方法。研究结果不但对微纳米尺度传热的理论模型与数值方法具有重要的学术意义，并且对多孔材料在能源、宇航材料、建筑等工程领域具有一定的应用价值。