力-电-热耦合作用下纳米孔隙多相流可控流动特性研究

Nanopores are ubiquitous in the natural materials and technology products, which are often filled by multiphase fluid. Moreover, due to the thermal motions of the fluid molecules and the existences of the polar molecules and ions, the combination of the fluid and nanopores always results in a coupled electro-thermo-mechanical system. Making use of the spontaneous multiphase and multi-field features, the controllable transport could be achievable under the external fields. Nevertheless, the understanding on the relevant mechanical mechanism still lacks, which limits the development of the efficient controlling strategy. Based on the research on the flow behavior of the single-phase and multiphase fluids inside nanopores under the coupled electro-thermo- mechanical effect, this project will focus on: the construction of theoretical model describing the relationship between the fluid-solid coupling property in equilibrium state and the boundary slip length; the foundation of the relation between the bubble property and the boundary slip length of two-phase fluid; the improvement of the seepage law for the three-dimensional nanoscale porous media and the establishment of the multiscale computational method for the permeability. Based on the external fields and size-dependence of nanoscale fluid, the tunable method and technology of flow behavior inside nanopores will be proposed and developed. The outcomes of this project will facilitate the understanding on the flow behavior at micro- and nano-scale, and provide the theoretical basis for the multiscale analysis of the fluid-solid coupling system at macro- and micro-scale, such as the exploitation of shale gas, the design of micro-fluidic chip and so on.

纳米孔隙普遍存在于自然材料和科技产品中，其内部常会由多相流体所填充。同时，由于分子的热运动以及极性分子、离子的存在，流体与纳米孔隙往往会形成力-电-热耦合系统。自发的多相多场特性使得外场作用能够实现对流动行为的调控，但目前对其中的力学机理仍缺乏充分的认识，从而限制了高效调控技术的探索。本项目拟基于纳米孔隙中单相、多相流体在力-电-热耦合作用下的流动行为研究，建立平衡态流固耦合性质与边界滑移长度之间的静-动关联理论模型，探讨气泡属性对两相流体边界滑移长度的控制规律，揭示纳米颗粒的主动运动对纳米流体粘性的调控机制，阐明三维纳米多孔介质的渗流性质并构建渗透率的多尺度计算方法，结合外场的作用和流体的尺度效应提出和发展纳米孔隙输运性能的调控方法和技术。研究成果将加深对微纳米尺度流动问题的理解，同时也将为页岩气开采、微流控芯片设计等宏微观流固耦合系统的多尺度分析提供科学依据和理论基础。

含液微纳米孔隙在自然界中普遍存在，在工业中亦有越来越广泛的应用。本项目针对微纳米尺度限域与流体的性能与行为的调控，采用数值模拟和理论分析方法，从流体、固体及流固耦合系统三个方面围绕微纳米尺度下流体的高精度计算及其物理性质调控研究、基于微纳米技术的固体材料力学性能改性机制及其调控、流固耦合系统在多场作用下的响应变化及其调控研究开展了研究工作，主要成果包括基于机器学习方法建立了高精度的四位点水模型TIP4P-BG和TIP4P-BGT，揭示了微纳米尺度限域内界面流体的粘性随流固耦合作用强度、壁面分子结构的变化规律，提出了基于润湿性等纳米颗粒属性实施纳米流体传输性质的调控方法，构建了纳米改性双马来酰亚胺树脂力学性质的多尺度表征方法，研究了纳米尺度微结构特性调控的Cu/Ag多晶层状材料的塑性性能，阐明了纳米孪晶铜力学行为对内嵌氦气泡的压力、数密度等属性的响应规律，给出了基于电场方向对含水碳纳米管力学性质的调控行为及机理，提出了基于两相材料的面向多组分气体混合物的可控渗透-分离膜设计，建立了液滴在纳米尺度材料表面的接触角高精度数值算法，构建了流体在纳米尺度通道内滑移长度与动态接触角的关联理论模型。项目执行期内在国内外重要学术期刊发表标注资助的论文20篇，其中SCI检索19篇，包括Nanotechnology等国际知名期刊论文；获批软件著作权2项；参加国际学术会议5次（分会场邀请报告2次）、国内学术会议5次（邀请报告2次），包括世界计算力学大会、美国计算力学大会、中国力学大会等国内外重要学术会议；指导或协助指导博士、硕士研究生共计9名；获得中国力学学会全国徐芝纶力学优秀教师奖、ICACM Young Investigator Award、辽宁省“百千万人才工程”万人层次荣誉和称号等。本项目的研究成果为微纳米尺度限域流体的数值计算分析提供了技术基础，同时为基于微纳米流动技术的现代科技产品微型化和集成化的设计与发展提供了有参考价值的理论依据和指导，在纳米科学技术的科研成果转化方面具有良好的应用前景。