微通道中周期压力梯度驱动下黏弹性流体电动能量转换特性研究

In recent years, with the development of micro/nanotechnology, the idea of using electrokinetic effect of fluid flow in micro/nanochannels to convert mechanical energy into electrical energy has attracted great attention. Recent theoretical studies have shown that the elastic resonance phenomena exhibited by polymer solutions driven by periodic pressure can greatly promote energy conversion efficiency. However, the current research is based on the simple linear Maxwell viscoelastic fluid model. Essentially, this model is only suitable for describing the small deformation of polymer solution, and does not take into account the effects of solvent viscosity and multi-relaxation time. Through the combination of analytical and numerical methods, this project intends to explore the effects of solvent viscosity and multi-relaxation time on the electrokinetic energy conversion of viscoelastic fluids driven by time periodic pressure gradient by using the Oldroyd-B model and generalized upper-convected Maxwell model. Furthermore, this work can advance our understandings of the interactions between the complex elastic behavior of fluids and electrokinetic flows and the phenomenon of electrokinetic energy conversion of viscoelastic fluids in unsteady flow in microchannels, which provides a theoretical basis for the design and experiment of more efficient electric energy converters.

近年来，随着微纳米技术的不断发展，利用微纳通道中流体流动的电动效应将机械能转换为电能的想法引起了人们的极大关注。最近的理论研究表明了周期压力驱动下高分子聚合物溶液所展现的弹性共振现象有助于大幅提升能量转换效率。然而，目前的研究都是基于简单线性Maxwell黏弹性流体模型。该模型本质上仅适用于描述聚合物溶液小形变的情形，同时也没有考虑溶剂黏度及多松弛时间等实际因素的影响。本项目拟采用更为一般的Oldroyd-B和广义上随体Maxwell黏弹性流体模型，通过解析和数值相结合的方法，探索周期压力梯度驱动下溶剂黏度及多松弛时间对黏弹性流体电动能量转换现象的影响。进一步，从理论上深入了解微尺度管道中非稳态流动情形下流体的复杂弹性行为对电动能量转换现象的作用机理，为更高效的电动能量转换器件的设计与实验提供理论基础。

电动效应是1807年以来发现的发生在固液界面的一系列流动生电或电致流体运动的现象的总称。该效应广泛应用于工业生产、物质的分离、提纯、检测和水净化等。基于电动效应的能量转换系统已经被提出，但目前实验能达到的能量转换效率比较低，这限制了其实际应用。.在本项目中，我们详细研究了微通道中周期压力梯度驱动下黏弹性流体电动能量转换特性，所取得的重要成果包括：首先，基于粘弹性剪切波的相互作用，我们阐明了周期压力梯度驱动下黏弹性流动中共振发生的机理，并得出了决定共振发生的临界Deborah数；其次，探索溶剂黏度及多松弛时间对黏弹性流体电动能量转换现象的影响。结果发现溶剂黏度的增加显著抑制了黏弹性流动中的共振现象，也显著降低了电动能量转换效率。多松弛时间效应对电动能量转换效率也有抑制作用。考虑到实际中所使用的复杂黏弹性流体，往往包含溶剂黏度及多松弛时间效应，从而弹性共振现象对电动能量转换效率的提升作用很有限。这也解释了在目前有限的实验中测量到的能量转换效率没有达到预期提升水平的原因。.此外，我们也考虑了分数阶黏弹性流体的非定常电动流动及电磁流动现象。通过在外部施加横向电场和垂向磁场，探究了电渗力和洛伦兹力共同作用下分数阶黏弹性流体的流动行为。具体计算发现在垂直于外加电场和磁场的方向上，磁场强度的增加首先促进了滑移速度和共振行为，然后抑制了它们；而在外加电场的方向上，随着磁场强度的增加，电渗流和共振行为都受到了抑制。当磁场发生反转时，其对流动行为的影响有明显差别。