近日，广东以色列理工学院机械工程与机器人专业研究生Viacheslav Papkov（研一），本科生张博彦（2022级）、苏涵（2021级）、陈浩杰（2021级），与其导师Dmitry Pashchenko副教授通力合作，在知名期刊《International Journal of Heat and Fluid Flow》联手发表题为“Numerical modeling of laminar flow over a porous cylinder under endothermic steam methane reforming reaction”的论文。该研究历时半年，充分打磨理论框架并深入实践，全面拓宽了学生对流体动力学、传热传质和化学反应之间复杂关系的理解，相关成果对于优化工业应用中的反应器设计具有重要参考作用。

从课堂问题到科研课题

该研究起源于《计算方法》课上的深度探索，该门课设于2023/24学年春季学期，由Pashchenko副教授为本科生授课。在讨论一个经典问题——数值求解圆柱体绕流的纳维-斯托克斯方程时，他升级挑战，鼓励学生尝试解决在吸热蒸汽甲烷重整反应下多孔圆柱体的绕流问题，以加深对流体动力学的理解，促使解决当前蒸汽甲烷重整系统效率较低的困境。

导师的建议激起了学生们的浓厚兴趣，在制定问题及确立初始数据后，该研究启动并逐渐成型。研究聚焦于吸热蒸汽甲烷重整反应下多孔圆柱体层流的数值模拟，通过运用二维雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方法，探究在一系列设定的温度下，与工业蒸汽甲烷重整相关的吸热化学反应如何对卡门涡流和传热系数产生影响。

在发生化学反应和不发生化学反应两种不同的情景下，作者们分别对瞬态和稳态的流体展开了详细探究。主要研究表明，蒸汽甲烷重整反应显著地改变了卡门涡流的特征。具体而言，催化缸温度的增加会导致单个涡流尺寸的扩大及其周期长度的延长。值得注意的是，受温度升高的影响，相关的反应速率也会随之加快。因此，在一千二百开尔文(1200K)的气缸温度下，化学反应对卡门涡流的影响最为显著。

论文中的可视化模型直观展示了反应流和非反应流卡门涡流的形成，为流体动力学提供了关键视角。该论文着重分析圆柱体表面的传热系数，揭示了吸热化学反应会极大增强从表面传递到反应流的热能。这一发现对优化反应器的设计具有重要意义，尤其是在对高效热管理要求较高的工业应用中。

从扎实理论到创新实践

参与该研究的三位本科生都在大二时加入Pashchenko副教授实验室。“尽早参与科研课题能让学生在实践中体验先进的模拟技术，精进研究技能，接触到真实的工业挑战。”Pashchenko副教授表示，“学会团队合作和解决问题，在探索中熟能生巧，对他们的未来发展至关重要。”

团队合照

他还盛赞学生们在研究中的惊人热情和创想。“他们在很多方面表现出色，如批判性思维、合作精神和学习主动性，积极参与模拟和数据分析，展示了解决复杂问题和适应新方法的能力，有效促进了项目的进展。”

“专业学习中所掌握的传热和热力学的基本知识，是能够探索此项目的基础，”此次经历让苏涵更加深刻理解所学理论，并顺利将其转化成科研成果。除了平日积累，导师的提前“布局”也让他们少走弯路。“在大二暑假，Dmitry教授指导我们如何学习ANSYS，给予我们许多学习资料。大三项目启动时，我们已经有了丰富的理论知识和软件背景，”浩杰补充， “不会因为对科研的迷茫而不知从何下手。”

“这个项目让我对做科研有了具象的体验，”难点攻克后的“柳暗花明”，让博彦对科研有了更宽广的理解，“从想法的产生，到成果的产出，总会有那么几个瞬间一度让我感觉做不下去，可是，当找到解决方法时，那种成就感是无可比拟的。”他表示，需要不断学习各方面的知识，完善自己的理解，才能更好面对科研中的未知。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142727X24004508

GTIIT

在“创新-研究-教育”融于一体的“知识三角”办学模式下，广以鼓励学生在本科阶段申请加入教授科研团队，在“真枪实弹”的科研任务中夯实专业基础，升华学习成果。截至2024年末，超过200名广以本科生在导师的指导下参与或完成了近百项科研课题，以丰富的创新实践书写“实干圆梦”的广以风范。

文：GTIIT传媒与公共事务部

图：Dmitry 提供