具体研究内容

        本课题组围绕国家能源战略方向,研究多孔介质内复杂多场耦合反应输运过程涉及的以工程热物理为核心的多学科交叉基础科学问题。研究背景为燃料电池,高热流密度器件冷却,微反应器,热化学储能,油气开采等。

 1. 多孔介质多场耦合输运过程孔尺度及多尺度研究

        在能源、环境、化工等领域,普遍发生着多孔介质中含化学反应的多物理场耦合输运过程(简称多场耦合反应输运过程),如电化学能转化装置、二氧化碳地质封存、油气开采、催化反应器、核反应堆等。多孔介质多场耦合反应输运过程规律和机理是工程热物理及相关学科历久弥新的科学问题。

        课题组针对多孔介质宏观整体性能研究多而孔隙尺度关键过程细节研究少、现有连续尺度模型唯象和经验参数多:表征并重构了多孔介质实际三维结构,基于实际结构较为系统的研究了孔尺度流动、传热传质、化学反应以及固体结构演变过程。在发展多孔介质孔尺度及多尺度研究方法、查明关键物理量孔尺度分布规律、揭示微纳尺度多场耦合过程机理、构建准确的多孔介质模型、发展关键过程的调控技术方面,取得了较突出的研究成果,并在能源领域得以应用。 以上工作在国际著名期刊上Chemical Engineering Journal、Int. J. Heat and Mass Transfer, J. Computatioal Physics, Physical Review E, Langmuir等期刊上发表SCI论文27篇,1篇1作中国百篇最具影响国际学术论文,并为传热传质学科顶级期刊Int. J. Heat & Mass Transfer近五年Most Cited 论文,4篇ESI高被引论文。                  

             

                                            

                                            

2. 质子交换膜燃料电池多尺度气-水-热-电多场耦合输运过程

        质子交换膜燃料电池是新一代能源转化装置,目前,世界各国均在紧密研发以质子交换膜燃料电池为动力的新能源汽车。性能、成本及寿命是影响燃料电池商业化引用的关键因素。燃料电池中发生复杂的多相流、传热、传质、电子质子传导、电化学反应过程,对性能、成本及寿命影响显著。在国家重点研发课题、自然科学基金委面上项目和陕西省杰青的资助下,本课题组致力于发展从微纳尺度膜电极到电池堆的多尺度研究手段,查明燃料电池中发生的多场耦合工程热物理及交叉学科问题。

      特别地,发展了先进的孔尺度研究手段,深入研究了膜电极(燃料i电池关键组件,国家35项科技卡脖子技术之一)中的微纳米尺度多相流、传热传质及电化学反应过程。近年来,课题组关注气体扩散层中气液两相流动过程,深入研究了孔尺度两相流动机理和分布规律,改进了扩散层多孔结构,并增强了扩散层和气体流道的水管理,强化了传质过程,并提高了电池性能。此外,本组致力于降低贵重金属催化剂铂载量,在查明低铂传质机理,降低铂载量的同时保证电池性能,改进催化层碳、Pt、电解液含量及孔隙结构方面做了大量工作。相关研究工作在Applied Energy, Nano Energy, Journal of Power Sources, Int. J. Heat & Mass Transfer, Int. J. Hydrogen Energy, Electrochemica Acta等国际著名期刊上发表相关学术论文25篇。      

                          

3. 油气开采中多孔介质多场耦合输运过程

    我国油气能源对外依存度不断升高,影响了我国能源战略安全。国务院办公厅发布的《能源发展战略行动计划(2014-2030)》强调 “重点突破页岩气和煤层气开发……”。我国页岩气技术可开采量为世界第一,基于先进技术如水平井水力压裂,有计划地开发储量巨大的页岩气,对保障国家能源战略安全具有重要意义。目前页岩气从纳米孔隙到千米级气藏的多尺度多场耦合输运过程机理尚不明晰,有必要进一步深入研究,为我国页岩气高效开采提供理论指导和技术支持。 

    常规输运模型未考虑Knudsen扩散、解吸附、表面扩散等纳米尺度非Darcy输运过程,难以准确预测页岩气运移规律。课题组发展了孔尺度及多尺度方法,构建了从纳米孔隙到气藏尺度的多尺度多场耦合模型,掌握了微纳尺度非Darcy过程对页岩气输运过程影响机制,获得了页岩输运系数构-效关系;采用多尺度方法量化了非Darcy行为对页岩产能的影响。研究成果在Physical Review E、Scientific Reports、Fuel、Int. J. of Coal Geology、 J. Computational Physics等期刊上发表SCI论文10篇。

                      

科研项目
项目编号 项目名称 项目来源 起讫时间 承担角色 项目类别
国家分布式能源中心 热化学储能机理及样机开发 其他2019-1~负责人横向项目
中国石油大学 低渗油气开采渗流问题研究 其他2019-1~负责人横向项目
蔚来汽车有限公司 高热流密度功率器件冷却 其他2019-1~负责人横向项目
南京ACC有限公司 xxx材料吸声特性研究 其他2018-6~负责人横向项目
自然科学基金委面上项目 微细多孔介质中耦合多相流和传质反应过 程机理孔尺度研究 国家自然科学基金项目2018-1~负责人纵向项目
陕西省杰青 燃料电池膜电极孔尺度及多尺度研究 其他2018-1~负责人纵向项目
西安交通大学青年拔尖人才计划 有序多孔介质多场耦合输运过程 其他2017-3~负责人纵向项目
科技部重点研发课题 燃料电池气-水-热-电-力多场耦合模型 国务院各部委项目2017-3~负责人纵向项目
人社部创新人才计划 钒流电池中复杂传递过程 国务院各部委项目2017-1~负责人纵向项目
教育部重点实验室骨干培养计划 CO2地质封存中多尺度传递过程 其他2015-1~负责人纵向项目
自然科学基金委青年基金 多孔介质中含溶解-沉淀的复杂多场耦合反应输运过程研究 国家自然科学基金项目2015-1~负责人纵向项目
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