超临界CO2管道泄漏流动研究：状态方程、杂质及出口直径的影响

《Fluids》：Study of Supercritical CO2 Pipeline Flow Leaks: Effects of Equation of State, Impurity, and Outlet Diameter Krishna Kant, Chaouki Habchi, Martha Hajiw-Riberaud, Al-Hassan Afailal and Jean-Charles de Hemptinne

　　

日益增长的减缓气候变化需求加速了碳捕集、利用与封存（Carbon Capture, Utilization, and Storage, CCUS）技术的发展，其中通过管道安全输送超临界CO₂（supercritical CO₂, sCO₂）是关键挑战之一。此类系统中的流动行为强烈受瞬态条件（如解压和传热）下相变过程的影响，且杂质（如N₂、CH₄和Ar）的存在进一步增加了复杂性。这些杂质改变了热力学性质和相边界，从而影响整体流动动力学。本研究采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟，研究了杂质对sCO₂管道泄漏、质量流量及解压波传播的影响。研究人员采用在CONVERGE CFD求解器中实现的真实流体模型（Real-Fluid Model, RFM），并结合基于表格化的方法，以准确捕捉多相区内的热力学和输运性质。模拟结果与现有实验数据进行了验证，并针对不同杂质浓度进行评估，以分析其对关键流动变量（包括压力、温度和波速）的影响。尽管采用了简化假设，结果与实验观测具有较好的一致性，增进了对瞬态解压过程中杂质诱导相行为的理解。此外，研究还考察了出口几何形状、管道构型及状态方程选择的影响，揭示了其对预测流动响应的作用。RFM建模框架的有效性通过代表性工业条件的大型管道构型模拟进一步得到验证，该模拟将作为未来改进的基准。

本研究聚焦于超临界CO₂（sCO₂）管道在泄漏过程中的瞬态解压行为，旨在为碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的安全输送提供理论支撑与工程指导。随着全球对减少人为CO₂排放和实现脱碳目标的重视，CO₂管道网络在过去十年间显著扩展。sCO₂因其高密度、低黏度的特性，被认为在CCUS系统中具有高效输送优势。然而，sCO₂管道运输的安全评估面临诸多挑战：一方面，sCO₂在瞬态解压和传热条件下易发生复杂的相变过程；另一方面，实际输送流体中常含有N₂、CH₄、Ar等杂质，这些杂质显著改变混合物的热力学性质和相边界，进而影响流动动力学。此外，现有研究多依赖一维均相平衡或松弛模型，难以捕捉多维流动结构、空间相分层及局部非均匀性；同时，将高精度热力学模型与全耦合瞬态CFD框架整合的研究仍较匮乏。因此，开发能够准确预测多组分CO₂混合物在现实工业条件下长时间瞬态解压动力学和泄漏排放率的计算模型，具有重要的科学价值和工程意义。

研究人员在本工作中开发了基于CONVERGE CFD v4.1的高保真实流体方法（Real-Fluid Method, RFM）求解器，用于系统评估sCO₂管道在工业运行条件下的解压行为和泄漏特性。该框架此前已针对真实气体蒸发和非蒸发喷雾进行了验证。热力学性质的计算依托IFP Energies Nouvelle开发的稳健热力学求解器，通过与实验数据的对比验证模型准确性。研究选取的主要二元体系为CO₂-N₂、CO₂-CH₄和CO₂-Ar，代表当前及未来sCO₂捕集、输送和封存应用中主要的非凝结性杂质。研究的核心贡献包括：状态方程对sCO₂及其混合物热物理性质预测影响的临界评估；不同出口直径和几何形状下CO₂富集混合物流量、压力降低和空隙率分布的解压分析；以及通过二元混合物模拟评估杂质对解压波传播和临界质量流量影响的综合分析。论文发表在《Fluids》期刊。

研究采用的关键技术方法包括：（1）基于CONVERGE CFD的真实流体模型（RFM），该模型将混合物表示为单效流体，采用均相平衡假设，共享相同的速度、压力和温度场，通过四组控制方程（连续性方程、动量方程、能量方程和组分输运方程）描述流动；（2）基于IFPEN-Carnot库的热力学建模，采用PT闪蒸计算（混合物）和PH闪蒸计算（纯流体），结合PR、CPA和PC-SAFT等立方型及缔合型状态方程，通过逆向距离加权插值（Inverse Distance Weighting, IDW）查询表格化热力学数据；（3）针对真实流体可压缩效应改进的PISO压力修正算法，引入局部压力-密度比修正压力方程；（4）一阶Euler迎风格式进行空间离散、一阶显式Euler前向格式进行时间积分，配合基于当地马赫数的CFL自适应时间步长策略；（5）基于σ模型的亚格子尺度湍流模型；（6）以Munkejord等人的高分辨率实验压力-温度数据为基准的验证方法。样本队列来源为Munkejord等人的实验配置，管道直径40.8 mm、长度61.7 m。

研究结果部分涵盖以下内容：

状态方程影响的评估：研究人员对比了CPA、PR和PC-SAFT三种状态方程对CO₂+N₂（1.8 mol%）混合物解压行为的影响。研究发现，CPA和PC-SAFT预测的临界温度和压力高于PR方程，导致泡点线位置不同，PR方程下流动进入两相状态的时间相对延迟。在解压波速预测方面，CPA模型表现最优，能较好捕捉波速和转变压力；PC-SAFT模型高估解压波速，PR模型则高估转变压力。研究强调，状态方程的适用性不能仅基于平衡热力学精度评判，其预测流动耦合量（如解压波速和转变压力）的能力同样关键。

杂质与纯CO₂的对比：通过对比纯CO₂与CO₂+N₂（1.8 mol%）混合物的解压行为，发现纯CO₂的解压速率略高，其阻塞流状态下的气体体积分数也更高。纯CO₂的解压波速转变压力低于含杂质混合物，但两种工况进入气态的热力学状态相近。低压液相分数阶段（约持续2.5 s）温度急剧下降的特征在两者中均有体现。

不同杂质（N₂、CH₄、Ar）的对比：在3.6 mol%浓度下，由于声速和临界压缩因子相近，各混合物的初始解压速率和压力剖面在气化开始前几乎一致。气化开始后，杂质种类的影响显现：解压波速转变压力按N₂ > Ar > CH₄顺序递减；气相或液相中的解压波速亦按相同顺序递增或递减。总体而言，临界点附近杂质种类对解压行为的影响有限，主要差异体现在两相阶段。

杂质摩尔分数的作用：对比3.6 mol%和5.4 mol%浓度发现，杂质摩尔分数增加使相包线上移，改变开始气化压力、阻塞流压力和气体分数。低浓度混合物在稠密相中的初始解压波速接近纯CO₂（约410 m/s），而高浓度时波速排序为CH₄（427 m/s）> Ar（410 m/s）> N₂（400 m/s）。值得注意的是，各工况达到的最低温度（T_min）均约为175 K，与杂质含量关系不大。

出口几何形状和直径的影响：研究比较了全口径、喷嘴和孔板三种出口构型。喷嘴等平滑几何促进流动逐渐加速，而孔板等突缩结构因面积急剧变化引入额外局部损失，导致有效排放能力降低、质量流量减小、解压速率放缓。对比实验数据，喷嘴预测的模拟结果与实验吻合良好，而孔板因未能充分捕捉vena contracta（缩流）和流量系数效应，预测精度有所下降。由于阻塞流状态持续时间延长，解压波速的清晰分界难以确定。

质量流量和马赫数：最大质量流量主要取决于初始超临界条件和出口边界条件，受混合物组成（3.6–5.4 mol%范围内）影响较小。不同杂质比较时，最大质量流量按N₂ > Ar > CH₄顺序递减。流动进入两相区时处于近临界阻塞状态（M_in≈0.8），接近气相时马赫数迅速上升至约1.7，随后在气相中因声速增高而骤降。

工业规模管道模拟：针对50 km长管道，研究了水平和垂直两种泄压配置。垂直泄压显著优于水平泄压，表明重力在此过程中起重要作用。垂直配置的计算耗时（约8天）显著高于水平配置（约2天），因竖直方向需至少10个网格以解析重力分层和滑移效应，最小单元体积受限导致时间步长大幅减小。模拟结果在约2小时物理时间后与实验出现偏离，暗示长时间尺度下需要耦合共轭传热模型。

讨论与结论部分总结如下：RFM平衡框架能够以较好精度模拟sCO₂管道输送问题。等温热边界条件和CPA状态方程被证明最适合sCO₂流体模拟。杂质不仅移动热力学边界，也改变相变动力学，但在临界条件附近操作时杂质含量的影响相对次要，因解压速率、波速和压力剖面相似。出口几何形状对热力学路径影响显著：喷嘴等平滑变截面几何的预测与实验高度吻合，而孔板等突变截面因计算分辨率不足会低估泄漏质量流量。对于50 km工业管道，泄压面积对捕捉初始解压物理过程至关重要，共轭传热模型和壁面损失建模对后续阶段及埋地管道分析必不可少。该工业尺度分析应视为探索性演示，未来工作将纳入共轭传热和更详细的管道表征以提升预测能力。