自20世纪90年代首次提出单一纳米孔作为一种潜在的快速和低成本的DNA测序工具以来(PNAS,1996,93,13770),关于生物纳米孔、合成纳米孔和纳米沟道等纳流体器件的研究已经得到广泛的报道。纳流体器件由于其纳米尺度涉及多种物理机制耦合,比如流体动力学方程、沟道壁面电荷引起的静电学方程、以及描述离子运动的离子输运方程。多物理场耦合使得纳流体器件的物理特性分析十分复杂,目前缺乏清晰明确、一致认同的物理框架。本文基于解耦沟道轴向和径向传输的近似基础,构建盐浓度偏置下纳流体体系的仿真模型-空间电荷模型(Space-Charge Model)。进一步从自建电势的表达式中概述了反离子的非均匀分布所引起的排斥势效应和离子迁移率不同形成的扩散电势效应。并基于两种效应的竞争机制以及仿真模型给各类实验现象提供了物理图景解释,也验证所建动力学模型的正确性。然后提出基于纳流体器件的盐浓度梯度发电的关键性能指标,即输出功率密度和能量转换效率,以及它们对沟道长度、沟道两端盐浓度偏置等纳米沟道参数的依赖性。为了充分利用盐浓度偏差诱导的热能,我们提出了二级逐步利用河流和海洋交汇处激发的热能的纳米沟道器件设计,并对纳米沟道的长度进行优化,实现了热输入功率与能量转换效率之间的最佳平衡。最后针对最近出现的弱电解质在纳流体器件中的输运实验,我们基于电离平衡效应,建立了纳米沟道中弱电解质输运的电动力学模型,并分别利用Poisson-Nernst-Plank(PNP)方程和Navier-Stokes方程描述其离子和流体的输运过程。所建弱电解质模型仿真结果与实验结果十分吻合,进一步预测使用弱电解质浓度偏置比使用强电解质浓度偏置会获得更大的开路电压。