能源与环境学科中的多尺度多物理化学耦合反应输运过程数值模拟研究

摘要

能源与环境领域中广泛存在着多尺度多物理化学耦合反应输运过程。这些过程包含若干紧密耦合的物理化学过程如(单相或多相)流动、传热、传质、带电粒子传导、（电）化学反应以及固体溶解（融化）和沉淀（凝固）等。这些物理化学过程常常发生在跨越了几个数量级的几何空间，具有多尺度特性。非线性、非平衡的反应输运过程以及各过程间复杂的耦合机制对发展相应的高效、稳定和精确的数值模拟方法提出了极大的挑战。多尺度、跨尺度特性更需要构建全新的能够综合考虑各层次过程间相互耦合传递机制的数值模拟方法。
　　本文以能源与环境学科中四个典型科学或工程问题，即质子交换膜燃料电池、微反应器、二氧化碳地质封存以及高放射性核废料处理为背景，归纳出六类具有重要理论意义和广泛应用背景的复杂多尺度多物理化学耦合反应输运问题，构建和发展多尺度多物理化学耦合反应输运过程的物理化学模型以及数值模拟方法，深入研究和探索不同尺度上尤其是介观和微观层次上的物理化学过程的机理，揭示不同尺度过程间的传递机制。本论文的主要贡献如下：
　　（1）以质子交换膜燃料电池的多孔组件气体扩散层为背景，研究微细多孔介质中的多组分多相流动反应输运过程。基于气体扩散层电镜扫描图的统计信息，发展了多孔介质的三维结构重构技术，重构了气体扩散层复杂碳纤维随机分布结构。采用格子Boltzmann方法(LBM)，研究了气体扩散层复杂各向异性结构对反应气体输运和电流密度的影响。研究了空气吹扫速度、混合润湿特性以及复杂结构对液态水运动过程、排出时间和残留饱和度的影响，并发现了毛细指进和粘性耦合两种机制共存的液态水运动过程。指出了液态水呈毛细连续流和分散液滴（或液膜）两种不同型态分布时GDL的理想润湿情形。
　　（2）以质子交换膜燃料电池的气体通道为背景，研究微通道中的多相流动、多组分传质以及电化学反应输运过程。基于商业软件Fluent，结合相界面捕捉技术VOF以及描述复杂反应边界条件和复杂传输参数的自定义函数，构建了能够追踪气液界面，同时考虑传质、电化学反应以及气体扩散层表面微观结构的物理化学模型和数值模拟方法。详细研究了不同运行参数、表面润湿特性以及表面微观结构下的液态水分布情况和动态运动过程，考察了液态水分布对气体通道内压降、反应气体传质过程以及局部电流密度分布的影响。指出了铺展于气体通道顶墙的液膜最有利于提高电池性能。基于此，改进了气体扩散层的结构，该结构能够促进形成液态水在顶墙形成液膜，同时减轻气体通道和气体扩散层中的水淹现象。研究了多种碳纤维排布方式对液滴运动过程的影响，指出碳纤维沿通道长度方向布置是最有利与液滴脱落和排出的微观结构。此外，对液滴进行了全面受力分析，考虑了表面微观结构对表面张力的影响，构建了能够预测不同空气吹扫速度、不同气体扩散层接触角以及各种表面微观结构下的液滴脱落直径的一维受力分析模型。
　　（3）以微反应器为背景，研究微通道中耦合的流动、传热、传质和表面化学反应过程。基于 LBM构建了能够全面考虑上述耦合的物理化学反应输运过程的数值方法。系统研究了氨气进口流量、运行温度、单元柱尺寸和形状、柱排列方式、以及柱布置位置对微反应器性能的影响，并考核了该柱状微反应器为质子交换膜燃料电池提供动力的能力，提出了微反应器的设计原则。
　　（4）以 Liesegang现象中的复杂沉淀图案为背景，研究了耦合的扩散、复杂表面化学反应以及成核和晶体生长过程。首先，基于实际成核过程构建了成核模型。接着，发展了能够预测多种晶体生长方式的晶体生长数值模型。将上述模型与LB传质模型结合，发展了能够考虑传质、化学反应、成核和晶体生长以及固体结构变化的孔隙尺度模型。采用该模型模拟获得了各种Liesegang沉淀图案，包括规则的环带、不规则的树状和针状以及过渡性沉淀图案。研究了胶体对Liesegang沉淀图案的影响，同时更准确地预测了宽度定律中的宽度指数。
　　（5）以CO2地下封存为典型代表，研究了流动、传质、化学反应以及界面耦合的溶解和沉淀过程。构建了能够考虑化学反应动力学驱动的界面耦合的溶解和沉淀过程的介观物理化学模型和数值模拟方法。模拟获得了界面耦合的一相溶解和二相沉淀的微观尺度的、非线性的动态演变过程。详细研究了各种化学反应动力学参数、沉淀相和溶解相的物性参数、溶解相的表面微观结构，以及沉淀相的晶体生长机制对溶解和沉淀过程的影响。区分了四类耦合的溶解和沉淀过程。特别研究了自然界中普遍存在的假型现象的微观机理，对目前文献中基于实验提出的假型形成模型进行了考核和修正。
　　（6）以核废料在矿盐中埋藏为背景，研究了耦合的含相变的多相流动、传热、传质、固体溶解和沉淀过程。结合LB多相流动模型、LB传质模型以及流固界面追踪方法，发展了能够严格保证封闭系统中质量和动量守恒的数值方法，提出了一种新的能够准确处理运动的、发生化学反应的复杂固体边界的LBM浓度边界条件，最终构建了能够考虑含相变的两相流动、传质、表面化学反应以及固体溶解和沉淀的孔隙尺度数学物理模型。模拟研究了含有气液两相的微小包裹体在矿盐晶体中的热迁移过程，以及温度梯度和结构参数对微小包裹体运动过程和体积变化的影响。
　　（7）以PEMFC和微反应器两个多尺度问题为典型代表，发展了分区计算、界面耦合的多尺度数值模拟方法，针对能源与环境学科中常见的可以用对流扩散方程描述的标量，包括速度分量，温度、浓度、电势等，提出了统一标量重构算子的概念，推导了从宏观标量到相应的LBM中标量分布函数的耦合算子。耦合FVM和LBM模拟研究了发生在PEMFC中的多尺度的流动、组分传质、质子传导以及电化学反应过程；还研究了催化剂贴壁布置的微通道反应器中发生的耦合的流动、传热、传质和表面催化反应过程。考核了粗（FVM区）细（LBM区）网格系统在分区计算、界面耦合多尺度数值模拟方法中的可行性和精度。讨论了影响最大粗细网格比的因素。

目录

主要符号表

1 绪论

1.1研究背景

1.2关键科学问题

1.3多尺度问题及多尺度数值模拟方法

1.4本文的主要研究内容

2 数值模拟方法简介

2.1数值模拟方法简介

2.2有限容积法

2.3格子Boltzmann方法

2.4 Volume of Fluid

2.5 Volume of Pixel

2.6本文数值模拟方法创新

2.7本章小结

3 微细多孔介质内气液两相流动过程

3.1研究背景

3.2格子模型简介

3.3计算区域

3.4气体扩散层渗透率和有效扩散系数

3.5气体扩散层中的单相流动和多组分传质过程

3.6插指型通道下气体扩散层中气液两相流动过程模拟

3.7气体扩散层混合润湿特性对液态水分布的影响及对宏观输运参数

3.8本章小结

4 微通道中的两相流动过程

4.1研究背景

4.2物理和数学模型

4.3结果和讨论

4.4本章小结

5 微通道中多组分多相耦合反应过程模拟研究

5.2物理和数学模型

5.3结果和讨论

5.4电池结构优化

5.5本章小结

6 微反应器中耦合反应输运过程模拟研究

6.2数学物理模型

6.3结果和讨论

6.4本章小结

7 耦合的扩散、非线性反应和沉淀过程模拟研究

7.1研究背景

7.2物理化学模型

7.3数值模拟方法

7.4结果和讨论

7.5本章小结

8 耦合的单相流动、传质、化学反应、固体溶解和沉淀过程

8.1研究背景

8.2多孔介质溶解过程及孔隙率和渗透率的关系研究

8.3耦合的溶解和沉淀过程模拟

8.4假型现象

8.5本章小结

9 耦合的多相流动、传热、传质、化学反应、溶解和沉淀过程

9.1研究背景

9.2物理化学模型

9.3数值模拟方法

9.4程序验证

9.5结果和讨论

9.6本章小结

10 多尺度数值模拟研究多尺度多物理化耦合反应输运过程I：浓度重构算子

10.1研究背景

10.2密度分布函数重构算子

10.3浓度分布函数重构算子

10.4分区计算、界面耦合的多尺度数值模拟方法

10.5浓度分布函数重构算子验证

10.6本章小结

11 多尺度数值模拟方法研究多尺度多物理化耦合反应输运过程II：PEMFC中流动、传质、质子传导和电化学反应过程

11.1研究背景

11.2物理化学模型

11.3数值模拟方法

11.4结果和讨论

11.5本章小结

12 多尺度数值模拟方法研究多物理化学耦合反应输运过程数值模拟 III：统一标量耦合算子和微反应器中流动、传热、传质和化学反应过程

12.1研究背景

12.2标量对流-扩散方程

12.3统一标量耦合算子

12.4涂壁微反应器

12.5多尺度数值模拟

12.6结果和讨论

12.7本章小结

13 结论与展望

13.1主要结论

13.2论文创新点

13.3未来工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果

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