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      2. 内大要闻

        我校数学科学学院菅永军教授团队在研究非牛顿流体的电动能量转化方面取得新进展

        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。我校数学科学学院菅永军教授团队近年来一直致力于微纳尺度流体力学,非牛顿流体力学、水动力学和流动的稳定性、热质传输等方面的研究。团队研究的特色是通过建立适当的偏微分方程数学力学模型,利用数学中解析和数值模拟的方法,给出相关力学问题的解,解释一些实际的物理和力学现象。近年来取得了一系列具有重要理论意义和一定实用价值的研究成果。

        能源是影响人类经济发展和生活质量的重要因素,寻找和开发清洁能源对实现人类社会的可持续发展无疑具有重大意义。近年来,基于电动效应的纳米孔道能量转换系统因其结构简单,可以有效地将流体机械能转化为电能,吸引了研究者们的广泛关注。传统的发电方式,在能量转换过程中往往要耗费大量能量来转动大型机械部件,而纳米孔道能量转换体系结构简单,仅需要一个表面带电的纳米孔道、电解质溶液及压力梯度,就能实现动能和电能之间的转化,且不产生新的环境问题,清洁环保?;?span style="font-family: 微软雅黑,Microsoft YaHei; font-size: 16px;">电动效应的纳米孔道能量转换系统有望应用于微型电源部件、自驱动纳米机器、微机电体系、可穿戴器件等领域,为清洁能源发电系统的开发提供了全新的选择。2019年,数学科学学院菅永军教授团队在Journal of Fluid Mechanics发表了文章“Electrokinetic energy conversion of two-layer fluids through nanofluidic channels, J. Fluid Mech. (2019), vol. 863, 1062–1090”,对纳米管道中两层流体的电动能量转换效率进行了详细分析(丁兆东副教授为第一作者,菅永军教授为通讯作者)。大量研究显示,基于电动效应的纳米孔道能源转换体系实际能达到的能量转换效率比较低,这限制了其作为电源装置等的广泛应用。研究表明采用粘弹性Maxwell流体作为流动介质理论上能极大提升动电能量转换效率。

        近日,最新一期国际顶级流体力学期刊Journal of Fluid Mechanics(2021, vol. 919, A20)再一次发表了我校数学科学学院菅永军教授团队的题为“Electrokinetic oscillatory flow and energy conversion of viscoelastic fluids in microchannels: a linear analysis”的研究论文。论文以丁兆东副教授为第一作者,菅永军教授为通讯作者。作者采用了更接近于实际情形的多模态粘弹性Oldroyd-B流体模型,并从粘弹性剪切波的角度深入分析了粘弹性效应对提升电动能量转换效率的内在机制;特别地,通过理论分析推导出了一个临界De数(粘弹性流体松弛时间与剪切流场的特征时间比值):Dec = 1/4。当系统De数大于该临界值Dec时,弹性效应将增强转换效率;否则,弹性效应并不会显著提升能量转换的效率。

        进一步研究发现,上述得到的临界De数某种意义上具有一定的普适性,即通过定义一个依赖于管道表面积与体积之比的De数,这一临界值可以应用于多种不同截面形状的微纳管道。相关成果也已发表于国际流体力学顶级期刊Physics of Fluids上,“Resonance behaviors in periodic viscoelastic electrokinetic flows: A universal Deborah number, Phys. Fluids (2021), vol. 33, 032023”。该论文丁兆东副教授为第一作者,菅永军教授为通讯作者。

        Journal of Fluid Mechanics是剑桥大学出版社旗下的著名流体力学家George Betchelor创办的核心期刊之一,是传统流体力学领域的Top1期刊,年发表各类型论文总数在700篇左右,2019年的影响因子为3.354。

        以上工作得到了国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金项目、内蒙古自治区草原英才滚动支持项目和内蒙古自治区自然科学基金项目的资助。

        原文链接:

        https://www.doi.org/10.1017/jfm.2021.380.

        https://www.doi.org/10.1017/jfm.2019.6

        https://doi.org/10.1063/5.0046861

         (供稿:数学科学学院)

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