本论文得到了国家自然科学基金项目(No.51175223)的资助,属于该项目多尺度模拟部分的研究内容之一。微纳流控系统在国防、医学、生物工程等领域得到了广泛应用。但是,微纳流控系统中的复杂流动现象属于多尺度现象,传统的计算流体动力学并不适用于解决多尺度问题,因此亟待发展多尺度计算机模拟方法研究微纳流道内的复杂流动现象。此外,针对现有动力电池充电时间长、能量密度低、存在安全隐患等问题,铝空气电池能量密度高、价格低廉、无毒环保等优点成为研究热点。微纳流动中库特流和微流控电池的扩散流等领域的多尺度现象受到广泛关注。本文将研究微纳流和电池的多尺度模拟方法,论文选题不仅对微流控和电池多尺度现象的分子水平认识具有学术价值,而且也为微流控系统和电池多尺度设计软件开发奠定了坚实的基础,研究成果对其它领域的多尺度模拟也具有参考价值。本文的主要研究内容包括:1.基于连续—粒子耦合算法模拟微流道中的库特流动问题。采用连续—分子动力学算法分析讨论连续区→粒子区域内不同的网格疏密程度对流体粒子速度及密度的影响,并研究由振动引起的纳米通道壁附近的流体性质变化;采用连续—耗散粒子动力学方法模拟稳态流动问题,应用Schwarz交替方法对模拟区域进行空间解耦,并分析研究连续区→粒子区域网格大小及剪切率对流体流动特性的影响。2.采用粗粒化分子动力学方法研究了柱状纳米通道中接枝聚合物电解质刷及其构象变化特性;研究了接枝于平板流道表面的中性瓶型聚合物构象变化情况。提出聚合物刷修饰流道表面的纳流的多尺度模拟方法。在微观尺度采用分子动力学方法计算聚合物刷修饰流道内壁面的滑移长度,并将滑移长度代入到宏观流动计算,分析不同剪切率和聚合物接枝数量对流体流动的影响。3.建立微流控燃料电池分层多尺度模拟模型,以钒离子扩散系数作为传递信息,在微观尺度计算钒离子的扩散系数,并将该结果代入介观尺度中,计算钒离子在多孔介质中的有效扩散系数;在宏观尺度中,将微观和介观尺度中的计算结果代入控制方程,通过流体动力学计算电池的宏观性能。与实验结果对比,其计算精度要高于单一尺度的宏观模拟结果。4.建立锂空气电池的多尺度模型,在微观尺度,计算空气中氧气在多孔介质中的有效扩散系数,分别讨论温度和多孔介质孔径对有效扩散系数的影响。在宏观尺度中,将微观尺度计算而得的有效扩散系数代入控制方程,进而计算锂空气电池的宏观性能;与文献的实验结果对比,预测的充放电曲线的趋势一致。5.提出一种电解质溶液导电率的多尺度模拟方法;在微观尺度采用全原子分子动力学模拟,计算KOH溶液内各组分粒子的径向分布函数,得到带电离子均方位移和扩散系数,代入宏观尺度Nernst-Einstein方程,求得KOH电解质溶液的电导率。在针对铝空气电池的研究中,采用多尺度方法研究碱性电解质溶液的电导率与溶液质量分数的关系,优化KOH溶液质量分数,使其电导率达到最佳值。分别采用纯铝、铝合金Al7475和Al2024作为电池的金属阳极,实验测试铝空气电池的放电性能。此外,本文还设计一种可分离式铝空气电池方案,可以有效抑制铝空气电池在搁置时自腐蚀放电,减少析氢反应。并以Al7475做电池阳极为例,通过间歇式放电实验证实,可分离式铝空气电池可以有效保护电池可用容量,提高金属阳极的使用效率。论文对比研究了连续—粒子耦合算法、分子动力学、耗散粒子动力学与有限元等宏观模拟方法结合的多尺度模拟在微纳流领域的应用;论文还研究了电池多尺度模拟的参数传递方法。论文对微纳流和电池流体流动规律分子水平的认识,对于微纳流控芯片的设计和新型电池的开发具有重要意义。