随着多孔材料在许多领域中的应用,如隔热消音的泡沫塑料、化工行业的催化剂、环保行业的吸附剂以及航空航天器件中众多复合材料等,多孔介质内传热传质的研究越来越受到人们的关注。深入理解和优化多孔介质内传热传质过程对能源的开发利用及节能减排有重要意义。对于多孔介质中的纳米孔隙,其中的传热传质现象的研究采用一般的宏观方法已经很难完成。分子动力学(MD)模拟方法作为一种分子尺度的模拟工具,被越来越广泛地用于微观尺度下传热传质问题的研究。本文采用MD模拟方法对质子交换膜(PEM)、页岩以及二氧化硅气凝胶等多孔介质纳米孔隙中的传热传质现象进行了研究,主要结论如下:(1)对Nafion膜内水分子穿透特性的研究发现膜内水分子的自扩散系数随水含量线性增大且与实验值吻合,340 K温度下的界面传递系数要比300 K温度下的传递系数大一个数量级。当水含量较低时,界面传递系数随水含量增大而增大,当水含量较高时,界面传递系数不随水含量变化。(2)构建了微观结构与全原子模型吻合的Nafion水化膜粗粒化模型,并采用边界驱动非平衡分子动力学(BD-NEMD)方法研究了全原子和粗粒化模型中水分子的传递特性。研究发现水化膜粗粒化模型的界面传递阻力与全原子模型相近,但膜内传递阻力比全原子模型的膜内传递阻力高约一个数量级且Nafion链长对界面厚度及传递系数影响较大。当大体系水化膜粗粒化模型厚度高于一定值时,膜下游侧边界将会迅速脱水,使得水分子传递通量急剧降低。(3)采用MD方法对石墨和方解石纳米孔隙内甲烷的吸附特性进行了研究,发现固体壁面吸附作用会在壁面附近形成密度高的吸附层,而在孔隙中间形成与纯甲烷性质一致的游离气并将其压力定义为孔隙内气体压力,并揭示了吸附特性随压力、孔隙宽度及壁面材料的变化关系。(4)采用BD-NEMD模拟方法研究了甲烷在两种石墨孔隙模型内的流动特性,发现了进出口段对纳米孔隙内吸附流动的影响规律。提出了将吸附层密度考虑在内的带滑移项Hagen-Poiseuille(HP)方程并对处于滑移区的工况的流动通量进行计算,模型计算结果与模拟结果吻合较好。 (5)采用MD方法对甲烷在油母质中的吸附/解吸过程进行了模拟研究,发现甲烷分子不仅吸附在油母质表面,还会吸附溶解于油母质内部孔隙内。解吸曲线存在一定滞后且受吸附过程影响。研究揭示了甲烷吸附量随压力、温度以及油母质类型的变化关系并分析了水分子与二氧化碳对甲烷吸附解吸的影响规律,最后发现可以采用Langmuir模型对油母质内甲烷吸附/解吸过程进行描述。(6)采用反向非平衡分子动力学(RNEMD)方法研究了二氧化硅气凝胶多孔材料的导热特性,并研究了氮气与氩气在气凝胶中的耦合导热特性。结合反应分子动力学方法模拟分析了水分子气凝胶表面的吸附及其对气凝胶导热特性的影响,研究发现:气凝胶块材的导热系数与密度呈幂函数关系,且与实验结果吻合。接触比对颗粒间的导热特性影响很大且颗粒间的导热系数随水含量增大而线性增大。氮气在气凝胶中气固耦合等效导热系数与Zeng的模型计算结果吻合,且气体在气凝胶内吸附解吸过程中的等效导热系数一致,不存在解吸滞后现象。