小尺度超臨界二氧化碳泄漏過(guò)程物理機(jī)理研究.pdf

1、面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境安全形式，如何高效清潔利用化石燃料是當(dāng)今世界廣泛研究的一個(gè)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。近些年來(lái)出現(xiàn)的碳捕捉與封存技術(shù)，由于其可觀的工業(yè)化潛力，被公認(rèn)為是各種節(jié)能減排技術(shù)中最有前景解決當(dāng)前困擾的一種，也是向“低碳經(jīng)濟(jì)”過(guò)渡的重要節(jié)能減排手段。
　　碳捕捉與封存技術(shù)主要分為碳捕捉、二氧化碳運(yùn)輸和碳封存三個(gè)部分。其中效率和安全是該技術(shù)中至關(guān)重要的兩個(gè)指標(biāo)，在其中二氧化碳運(yùn)輸環(huán)節(jié)中，這兩個(gè)要點(diǎn)尤其重要，效率保證了運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性

2、，而安全則保證了運(yùn)輸?shù)挠行浴Ｄ壳霸谟?guó)、韓國(guó)等都開始了針對(duì)二氧化碳安全運(yùn)輸及其泄漏過(guò)程的研究，在我國(guó)這方面的研究也正處于起步階段。本文的核心內(nèi)容正是研究處于運(yùn)輸中的超臨界二氧化碳在發(fā)生管道泄漏時(shí)，高壓流體泄漏過(guò)程中的變化過(guò)程及其物理機(jī)理。
　　管道運(yùn)輸是目前二氧化碳運(yùn)輸中的一種重要手段。而在管道運(yùn)輸中，為了保持運(yùn)輸?shù)男?，通常?huì)將管道中的流體保持在一定高壓的狀態(tài)。在管道運(yùn)輸過(guò)程中，一般會(huì)將二氧化碳加壓到超臨界狀態(tài)運(yùn)輸。超臨界狀態(tài)

3、的二氧化碳在流動(dòng)時(shí)不僅具有類似氣體的高擴(kuò)散性、低粘性，還具有類似液體的高密度，比起在液態(tài)和氣態(tài)運(yùn)輸，可以更為高效經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸二氧化碳。但是在管道發(fā)生泄漏時(shí)，超臨界狀態(tài)的二氧化碳對(duì)于管道和周圍環(huán)境具有更高的危害性。由于其具有高壓的特性，在泄漏發(fā)生時(shí)會(huì)在泄漏口內(nèi)部出現(xiàn)壅塞流現(xiàn)象，對(duì)管內(nèi)流動(dòng)以及運(yùn)輸效率產(chǎn)生影響;在泄漏口附近，由于泄漏流體與環(huán)境壓力的巨大壓差形成的弓形激波、馬赫盤和膨脹波等現(xiàn)象;在泄漏口外部由于焦湯效應(yīng)，出現(xiàn)的干冰層現(xiàn)象，以及高

4、壓射流在管外形成的對(duì)流、空氣卷吸等相關(guān)流體過(guò)程。本文選取了小尺度超臨界二氧化碳泄漏這一主要研究對(duì)象，從氣體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)以及安全學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科理論出發(fā)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，揭示了超臨界二氧化碳泄漏過(guò)程中，在泄漏不同區(qū)域主要的的物理現(xiàn)象以及其對(duì)管道和周圍環(huán)境安全產(chǎn)生的影響;并且通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比，進(jìn)一步揭示了二氧化碳泄漏過(guò)程中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象所產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)機(jī)理;最終結(jié)合理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究，為高壓流體泄漏探測(cè)及分析工作提供了理論指導(dǎo)

5、以及一定的技術(shù)意見。論文的具體工作主要為:
　　在理論研究方面，首先介紹了前人一些有關(guān)快速高壓射流的一些傳統(tǒng)模型，并且結(jié)合超臨界二氧化碳的特性加以改進(jìn)，然后通過(guò)加入經(jīng)典泄漏模型對(duì)比，建立了以泄漏口為分界的三段式超臨界二氧化碳泄漏模型;在泄漏口內(nèi)部研究高壓泄漏對(duì)于管道內(nèi)部流動(dòng)影響時(shí)，鑒于小尺度管道泄漏內(nèi)部流動(dòng)參數(shù)難以測(cè)量的條件，提出了運(yùn)用無(wú)量綱傳熱參數(shù)間接測(cè)量泄漏口內(nèi)部壅塞流強(qiáng)度的方法;在泄漏口附近建立了近場(chǎng)高壓泄漏模型，并且推導(dǎo)出

6、了泄漏過(guò)程中速度和泄漏流量之間的關(guān)系，觀測(cè)并解釋了泄漏口附近干冰層以及弓形激波形成等物理現(xiàn)象;在泄漏口外部研究了氣流溫度以及速度分布的特點(diǎn)，以及其對(duì)高壓氣流流體特性的相互影響關(guān)系。
　　在實(shí)驗(yàn)研究方面，自主設(shè)計(jì)并且搭建了“超臨界態(tài)CO2管道運(yùn)輸及泄漏模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，并基于此平臺(tái)開展了多種不同尺寸泄漏口徑、不同泄漏流體狀態(tài)的泄漏實(shí)驗(yàn)。第一系列是研究不同狀態(tài)的二氧化碳在同一口徑泄漏時(shí)，泄漏壓力、泄漏質(zhì)量流率、流速以及溫度變化，對(duì)泄漏模

7、型進(jìn)行驗(yàn)證以及改進(jìn)。第二系列是研究超臨界二氧化碳在小尺度不同泄漏口徑時(shí)，流體的狀態(tài)變化，以及其與環(huán)境相互之間的影響關(guān)系，對(duì)超臨界流體泄漏檢測(cè)提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持，并詳細(xì)的分析了泄漏口徑對(duì)于泄漏過(guò)程中物理現(xiàn)象及其影響其變化的物理參量的變化規(guī)律。
　　在數(shù)值模擬研究方面，主要利用自主編寫的兩步L-W程序計(jì)算模擬超臨界二氧化碳軸對(duì)稱射流及其自由擴(kuò)散過(guò)程。通過(guò)改變泄漏口徑尺寸、泄漏口初始流體速度來(lái)模擬不同泄漏情況發(fā)生時(shí)超臨界二氧化碳在泄漏