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原文传递电场驱动与强化空气除湿跨尺度输运机理与实验研究

论文题名：	电场驱动与强化空气除湿跨尺度输运机理与实验研究
关键词：	悬索桥;主动除湿防腐系统;电场驱动;电场强化;跨膜输运;分子动力学;耗散粒子动力学
摘要：	除湿系统是家庭、商业和工业生产的空气调节过程中必不可少的一环。针对传统除湿方法能低效、再生温度高等问题，本文提出了新型的电场驱动空气除湿方法，包括通过电场驱动荷电水分子的定向迁移和跨膜输运的电渗析直接空气除湿过程，以及电场强化的冷凝除湿过程。具体研究内容为：构建了电场驱动气体膜分离的MD模型，揭示了微观尺度下水分子荷电、迁移以及跨膜输运的机理；在电场强化冷凝液滴的实验基础上，提出了液滴 DPD 模型，阐明了介观尺度下电场对水分凝结过程的强化作用，分析了宏观尺度下该方法的除湿性能与应用前景，通过跨尺度理论研究框架，研究了所提出的电场驱动与强化空气除湿的新方法。　　首先，基于分子动力学（MD）构建了部分荷电 TIP4P 的水分子模型，实现了微观尺度下对水分子荷电和迁移行为的模拟。当施加电场强度为 1 V·?-1时，相比于无外场情况，水分子扩散系数提高 14.3 倍，等效于有限体积法（FVM）分析中湿份输运速率提高 4.7倍。　　其次，基于MD研究了水分子在微观尺度下的跨膜输运机理。构建了双层纳米多孔氧化石墨烯膜（2NPGO）与混合 Dreiding与 SPC/E力场的荷电水分子势，模拟了单组分水蒸气分子/双组分水蒸气-氮气分子/双组分水蒸气-氧气分子在外电场下的跨膜输运与分离过程。施加电场后，水分子在膜组件中的自扩散系数从2.421×10-9 m2·s-1提高到7.566×10-8 m2·s-1。在氮气环境中，10-6 V·?-1的电场强度下，水渗透率提高至2.83×103 mol·m-2s-1，同时水/氮气的分离系数提高至 4.918，并从氢键演化和分子相互作用能变化等角度进一步解释了水分子扩散增强的微观机制。在氧气环境中，10-4 V·?-1的电场强度下，水分子的气体渗透率提高至3.26×103 mol·m-2s-1；对氧气分子的选择性从0.33（无外电场）提高至1.44 （外电场为 10-4 V·?-1），揭示了电场抑制水分子间及水分子-膜间的氢键相互作用，电场增强了气体脱附过程，使分离膜上出现更多吸附位点，从而促进了水分子的渗透。　　然后，基于实验与耗散粒子动力学（DPD），研究了介观尺度下电场对水分凝结过程的强化机理。利用可视化实验研究了电场下的水分凝结过程，基于图像处理的 Otsu 算法识别了液滴的成核和生长过程。在15 kV电晕放电中，液滴凝结的增长速度和粒径分布皆呈现出不同的模式。与无外电场下冷凝过程相比，表面热通量密度增加了 91.9%。并构建了与之相应的电场中水分子汽化与冷凝的动态特性MD模拟体系，计算发现径向分布函数（RDF）中 2.7 ?处峰值被削弱，水分子之间呈现出更无序的状态。在此基础上，构建了水分子液滴介观尺度的 DPD水珠子（bead）模型，使用 MD方法计算了带电水分子簇的Flory-Huggins 自由能矩阵，进而获得 DPD 水珠子模型的相互作用力参数，实现了跨尺度模拟的参数传递。在电场下，场致荷电的水珠子模型中约束项相互作用系数增大，导致其表面张力和粘度系数提高，为电场强化的液滴成核和凝结过程提供了微观机理解释。　　最后，结合悬索桥主动除湿防腐系统的这一实际应用场景，从宏观尺度探究了电场强化冷凝除湿方法与常规技术相比的系统效益。并基于总结的全球范围内投入使用的悬索桥用的除湿系统，比较了固体吸附式除湿、液体吸收式除湿、膜除湿和冷凝除湿的适应性，为悬索桥主动除湿防腐系统的设计提供参考。
作者：	张牧星
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	张小松
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022