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

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51776159
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    56.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0603.传热传质学
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Coupled multiphase flow and reactive transport process in microscopic porous media is widely encountered and is a cutting-edge problem in many different fields such as energy, environment and chemical engineering. The microscopic structures of the porous media are complex, and the interactions between different processes as well as that between fluid and solid are very complex. Thus the transport phenomena as well as the coupled mechanisms of different processes are quite complicated, which involves many common basic scientific problems remaining to be further investigated. In this proposal, advanced pore-scale numerical methods and micro-fluidic visual experiments will be developed to study at the pore-scale the coupled multiphase fluid flow, mass transport and chemical reaction processes. Effects of capillary number, heterogeneous structures and surface wettability of porous media will be explored. Quantitative relationships between averaged concentration, bubble size, specific surface and dissolution rate will be analyzed. The pore-scale work aims to reveal the laws of multiphase distributions and evolutions, the mechanisms of interfacial mass transport and chemical reactions, the evolution laws of multicomponent concentrations, and the conversion laws of substance and energy under influence of multiple physicochemical processes. The work of this proposal is helpful to provide new efficient pore-scale study tools for transport processes in porous media. It also facilitates deep understanding of coupled multiphase flow, mass transport and chemical reactions in porous media. It will also theoretically support related engineering processes such as CO2 sequestration, fuel cell design, conventional/unconventional oil, etc.
微细多孔介质中耦合多相流和传质反应过程普遍存在于能源、环境、化工等诸多领域,是相关学科的前沿课题。多孔介质结构复杂、多物理化学场耦合且流固相互作用强烈,因此该问题的传输特性和耦合机制极为复杂,其中蕴含着若干认识尚不明晰的共性基础问题。本项目拟从孔尺度出发,发展先进孔尺度数值方法及微流控可视化实验手段,研究多孔介质中发生的两相流动、传热、传质及化学反应过程,研究毛细数、润湿特性、结构非均质性等因素对上述过程的影响,查明平均浓度、饱和度、比表面积、反应速率等间的量化关系,揭示相界面的分布和演化规律、相界面传质反应过程机制、组分浓度分布和变化规律、以及多个物理化学场作用下的物质/能量转化规律。本研究将为孔尺度研究多孔介质内传递过程提供新的有效手段,有助加深对多孔介质中耦合多相流传质反应过程机理的理解,为涉及这一基础科学问题的领域如CO2地质封存、燃料电池设计、常规非常规油气开采等提供理论支撑。

结项摘要

微细多孔介质中耦合多相流和传质反应过程普遍存在于能源、环境、化工等诸多领域,是相关学科的前沿课题。项目以CO2地质埋存和质子交换膜燃料电池为研究背景,研究多孔介质中耦合多相流-传质-反应过程这一基础科学问题。针对现有多孔介质多场耦合过程模型唯象、经验参数多等问题,基于介尺度格子Boltzmann方法(LBM),基于多孔介质实际结构,发展了考虑孔隙尺度多相流、传热、传质、反应及固体结构演变的孔隙尺度数值方法。研究了多孔介质中的CO2驱替盐水两相流动过程、CO2驱替油水两相的三相流动过程、CO2在盐水中的溶解过程,掌握了多组分浓度分布及变化规律,获得了平均浓度、反应速率、饱和度和相界面面积间的定量关系。研究了燃料电池膜电极(扩散层、微孔层和催化层)中输运过程。发展了新的孔尺度团聚块亚格子模型,孔尺度团聚块模型考虑了催化层复杂多成分微纳尺度结构,考虑了具有浓度跳跃、扩散系数差异大、局部非平衡溶解过程的跨相界面传质反应过程。该模型能够准确预测高电流下催化层内的传质阻力。基于新的孔尺度模型,研究了催化层孔隙率、电解液薄膜以及反应输运条件对电流密度的影响规律;提出了膜电极优化结构,协同调控了膜电极中多场输运过程,降低了贵重金属Pt载量。项目发表期刊论文19篇,其中SCI论文16篇。授权国家技术发明专利3项,软件著作权4项。项目负责人受邀请做国际会议邀请或主旨报告9次。项目培养硕士生两名。国际著名期刊《Progress in Energy and Combustion Science》(IF=29.4)邀请,撰写孔隙尺度复杂传递过程综述论文一篇。本研究研究成果为孔尺度研究多孔介质内传递过程提供新的有效手段,加深了对多孔介质中耦合多相流传质反应过程机理的理解,为涉及这一基础科学问题的领域如CO2地质封存、燃料电池设计等提供了理论支撑。

项目成果

期刊论文数量(19)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(6)
Topology optimization of the manifold microchannels with triple-objective functions
具有三目标函数的流形微通道拓扑优化
  • DOI:
    10.1080/10407790.2021.1946309
  • 发表时间:
    2021-07
  • 期刊:
    Numerical Heat Transfer Part B-Fundamentals
  • 影响因子:
    1
  • 作者:
    Liu Xun;Chen Li;Peng Ming;Ji Wen-Tao;Tao Wen-Quan
  • 通讯作者:
    Tao Wen-Quan
Lattice Boltzmann mesoscopic modeling of flow boiling heat transfer processes in a microchannel
微通道中流动沸腾传热过程的格子玻尔兹曼介观建模
  • DOI:
    10.1016/j.applthermaleng.2021.117369
  • 发表时间:
    2021-10
  • 期刊:
    Applied Thermal Engineering
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Zhang Chuangde;Chen Li;Ji Wentao;Liu Yu;Liu Luguo;Tao Wen-Quan
  • 通讯作者:
    Tao Wen-Quan
质子交换膜燃料电池中微纳输运过程的数值研究进展
  • DOI:
    10.1360/tb-2021-0133
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    CHIChinese Science Bulletin
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Lina Liu;Ruiyuan Zhang;Lingyi Guo;Yi Yuan;Fan Bai;Pu He;Yutong Mu;Li Chen;Wenquan Tao
  • 通讯作者:
    Wenquan Tao
Pore-scale study of effects of different Pt loading reduction schemes on reactive transport processes in catalyst layers of proton exchange membrane fuel cells
不同 Pt 负载量减少方案对质子交换膜燃料电池催化剂层反应传输过程影响的孔径研究
  • DOI:
    10.1016/j.ijhydene.2021.03.124
  • 发表时间:
    2021-04
  • 期刊:
    International Journal of Hydrogen Energy
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    Zhang Ruiyuan;Min Ting;Liu Yan;Chen Li;Tao Wen-Quan
  • 通讯作者:
    Tao Wen-Quan
Pore-scale numerical study of multiphase reactive transport processes in cathode catalyst layers of proton exchange membrane fuel cells
质子交换膜燃料电池阴极催化剂层多相反应输运过程的孔径数值研究
  • DOI:
    10.1016/j.ijhydene.2021.01.146
  • 发表时间:
    2021-03-24
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    Chen, Li;Kang, Qinjun;Tao, Wenquan
  • 通讯作者:
    Tao, Wenquan

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其他文献

人绒毛膜滋养层细胞的分离培养及
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  • 通讯作者:
    张晓龙
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  • 发表时间:
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  • 作者:
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    --
  • 发表时间:
    2016
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  • 作者:
    陈黎
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    陈黎
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  • 发表时间:
    2019
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈黎;任志华;丁祖德;张博
  • 通讯作者:
    张博

其他文献

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陈黎的其他基金

多尺度多孔介质多场耦合反应输运过程的拓扑优化模型、方法及机理
  • 批准号:
    52376074
  • 批准年份:
    2023
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基于高含水油藏去碳目标导向的CO2捕集-驱油-埋存一体化理论及技术研究
  • 批准号:
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    2021
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多孔介质中含溶解-沉淀的多场耦合反应过程孔隙尺度模拟研究
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相似国自然基金

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  • 资助金额:
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相似海外基金

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知道了

AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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