CO2多相射流的近场结构实验测量和RANS方程模拟翻译解读

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1、C02多相射流的近场结构实验测量和 RANS方程模拟CO2多相射流的近场结构实验测量和RANS方程模拟R.M.Woolley a, ,M.Fairweathera,C.J.Wareinga,S.A.E.G.Falleb,C.Proustc,J.Hebrardc,D.Jamoisc摘要：部署一套完整的碳捕获和存储链应当着重于二氧化碳管道和中间存储容器 的运行，以及意外泄漏所带来的危害。本文的目标是建立一个能准确反应在泄漏 中观测到的复杂物理变化的计算流体力学模型，特别是对扩散现象的准确预测。 这被观测到的相互作用的热物理进程包括那些相关联的一个高速膨胀不足的快 速泄放，产生一个关联的音速流动结构

2、结构。 在这样一个泄放中，由于膨胀和随 后的焦耳-汤姆逊冷却反应，可能出现三相流，故需要一个合适的状态方程来说 明该系统的组成。本文的主要目的是考虑这些物理过程，综合到一个合适的数值 结构中，它可以用来作为一个量化相关危害的工具。这也包含了本文最近提出的 一个运用有效数据验证过的模型。总而言之，该模型提供了一个与实验数据和成 分数据一致性都很好的流体、音速结构以及温度测量。关键字：CCS;多相流动；实验测量；数学建模；突然泄放；气体扩散1介绍碳捕捉和封存技术(CCS)旨在减少从煤发电站和其他工业设施排放出来的 二氧化碳。CCS技术涉及到捕捉二氧化碳并将它封存在一个合适的半永久的设 备，比如自然

3、形成的盐碱含水层或者废弃的油井，而不是让它排放到大气层引起气候变化。大量高压气体和液体的安全运输的技术要求已经建立了很多年。运用到实践 中，该技术被证明含有大量的有害物质，包括燃料和有毒物。然而如今，随着大 规模的碳捕获和储存项目的到来，注意力已经转移到安全运输和处理密相二氧化 碳(C02PipeHaz,2009。对于高压气体释放时的物理观察研究，比如天然气的研 究就很好，它们的行为相对的好理解。然而，二氧化碳释放有很大的危险，由于 它非常不寻常的物理性质，其中有的还没有阐明。目前，正在进行的工作项目 CO2 PipeHaz (CO2PipeHaz,2009关键是量化所有相关的二氧化碳管道失败

4、的危 害后果，形成应急响应计划的基础，确定距离人口密集地区的最小安全距离。这样的管道被认为是最有可能的从发电厂和其他行业到后续存储点之间的二氧化 碳运输方式，它们的安全运行是至关重要的，由于他们的库存可能是几千吨。二氧化碳是一种无色无味的气体，如果吸入占空气浓度的5%左右就变得有毒，而且很可能在10%左右是致命的(NIOSH, 1996)。液体二氧化碳的密度比水 大，但是它的粘度大小与气体相似，这些特性使二氧化碳的运输更加经济以及更 有吸引力。然而，初步计算和实验证明，由于它拥有一个相对较高的焦耳-汤姆逊膨胀系数，突然泄放导致快速膨胀，使得可能达到的温度低于-180 K。由于这 种效果，在管道

5、出现穿刺或破裂时会形成干冰， 直接从液相或气固相穿过三相点(216.6K在5.11atm)。此外，二氧化碳在大气环境条件下就升华，这种行为未 见于大部分其他固体。当评估意外释放带来的危害，这是一个重要的考虑因素， 由于二氧化碳比空气重，形成的液态池蒸发或干冰沉降升华可能导致在地面聚集 高浓度的二氧化碳，除了这些之外，还有相关的气体泄漏形成的危险。本文提出的进展描述了一个新的多相排放和有预测能力的泄放模型，可预测 关于二氧化碳泄漏的近场和远场湍流流动，以及相变现象。和前面讨论的一样， 考虑到二氧化碳在气体和固体状态下不同的危险概况，在近场泄漏过程中正确的热力学预测是特别重要的。因此二氧化碳流体动

6、力学的模拟提出了一个独特的问 题，本文提供的理论在一定程度上阐明了观察到的物理现象。以前的工作关注于二氧化碳泄漏的近场模型，在最近发表的文献被很好的覆盖(Dixon et al .2012年)，还应该咨询其他近期的发展。本文还提出了一系列大规模二氧化碳泄放的实验测量结果，代表了在不同条 件下的管道裂纹。这一系列的实验代表了大部分最新的实验数据，描述了这种膨胀不足流体的温度和浓度场。已经使用该实验数据进行了模型验证， 通过比较阐 明了数值模型的缺点，提出进一步的改进建议。还应该被指出的是，这里介绍的建模工作有可能进一步的运用，而不是仅仅 在二氧化碳管道安全方面。虽然那用于音速喷放的技术模型被广泛

7、的报道，但三 相二氧化碳的膨胀和相关的热物理现象的研究是一个新颖的方法。这可以应用于很多的技术领域，包括基于超临界溶剂(RESS)快速膨胀过程原理的制药、化妆品、 和特殊化学品行业。在这些应用中，粒子产生的几何形状是由喷嘴几何形状、 质 量流量、压力和二氧化碳的温度决定。因此，该模型在设计阶段，对预测流体结 构和粒子分布将是极为有利的。2实验安排民已挥电漓0. 25图1 INERIS CO2泄放实验装备包括传感器结构的原理图图1描绘了一个INERIS建设的大规模二氧化碳泄放实验研究的装备示意图 在流场的模拟区域，测量仪器由分散分布的热电偶和沿着中心轴分布的三个氧气 浓度传感器组成。用于模型验证

8、的区域从泄放口延伸 5米，这个区域即图一的阴 影区域。模型区域大小的选择是根据模型的发展，在本文主要是由于膨胀不足， 过多负载，多相喷射和近域结构。泄放点下游的5米，那喷射已经在属性上变成 自相似，并在大气压力下有了相当大的距离， 因此，这一地区的模拟不需要这样 的专业处理。图二是相同的装备的图片，显示了在图片的右边的外部泄漏点，在主容器原 地前方的是填充球罐。后边的2m3的球形容器是热绝缘的，可以储存在最大操作 压力和温度分别为200 bar和473 K下1000公斤的二氧化碳。内部装备了 6个热 电偶和2个高精度压力表以及蓝宝石的观察窗口。 它通过一根内部没有限制的泄 放管线连接。总而言之

9、，线长9米，包括一段弯曲在容器的内部，插入到容器的 底部以确保它完全的被淹没在液态二氧化碳中。二个全功能的球阀安装在管道 上。其中两个的位置接近于容器，第三个接近于孔口固定器。最接近球罐的第一 个阀是手动安全阀，另外两个靠远程控制。图2实验平台，包括填充球罐，主容器和泄放管的总体图这个容器是由4个重力传感器支持的，用来测量二氧化碳的容量。质量流率 的测量精度接近于10%。容器内的和孔口上游的温度测量用的是 0.5毫米K型热 电偶，其精确度为1 K。容器内的静压测量用的是精度为 .1%，0 200 bar的Kistler传感器，并且孔口的上游用一个精度 ）.5%，0 -350 bar 的传感器。

10、这个容器装置如图3所示。不同的孔径可以被用在泄放管道的出口，都由钻过孔的大螺纹法兰做成的。 这个法兰的厚度是典型的15 mm，孔口的直径是恒定在一个10 mm的长度，然 后朝外做一个45度的倒角。图4提供了这样一个孔的例子，同时图 5是一个高 速摄像机对一个9 mm的喷嘴的泄放拍照。在6个测试报告和研究中使用的泄放 喷嘴的直径分别为6、9、12和25mm。泄放区域的测量元件包括安装在距离孔口不同距离的垂直桅杆的K型热电偶（直径0.5mm）。这些元件的响应时间大约是1 s。此外，在每个桅杆的喷射中心 线位置上都有一个氧气传感器。在试验计划中对大量的实验配置进行了研究，但是只将最近的数据呈现在这里

11、。表1是六个典型二氧化碳运输条件的泄放场景的细节，这些都用于验证模型3数学建模3.1控制方程模型的建立基于雷诺-平均方程，包含质量守恒、动量守恒、两个守恒标量（二 氧化碳质量分数和二氧化碳密相分数）的密度加权的传输方程，每单位体积总能 量（内能和动能之和），如方程（1）-（5）所示。该模型能够代表组成的混合流体场的 二氧化碳（蒸汽/液体/固体）和空气。在这项研究中使用的方程是在一个轴对称的 几何模型中计算的，但为了简便起见，所有后续方程中列出笛卡儿张量形式。7叮商戸（1）.-t :-Xi(2)-训：训打一盯u垮=0；丄：Xj.cat 小片1电=0(3)#C02多相射流的近场结构实验测量和 RA

12、NS方程模拟#C02多相射流的近场结构实验测量和 RANS方程模拟(5)通过在3.2节中描述的湍流压力张量55,这个方程组是封闭的#C02多相射流的近场结构实验测量和 RANS方程模拟3.2湍流模型TC6距离庭直】辭OceT匚5距禺底閒-k壁热电偶U二三畫oTC1审离忒面190图3压力容器设备表一实验泄放参数空 *iat* 0272152TS3527SJ5279.15277.15D D o o D o a 05.S.5. g-ggg.4.8.O0.D.DE.l.g.si.s.?.2 4- 9 S 7在3.1讨论的万程组的封闭是通过 k- 湍流模型(Jones and Launde, 1972)

13、实现的，是雷诺应力，使用这种方法进行模拟：在这里，湍流或涡流粘度表示湍流动能的函数：24 =：?，其中 C.1=0.09Z根据湍流动能和耗散率的运输方程的解决的要求，随后这些模型变为:k t-讪s E(6)(7)(8)-Sg = 0 其中，也=詈(9)在这Sk和s ；定义为:#C02多相射流的近场结构实验测量和 RANS方程模拟#C02多相射流的近场结构实验测量和 RANS方程模拟(10)q 二 Pt -； sC1 Pt - C2 : Ik(11)(12)其中，C1=1.4 和 C2=1.94|cXj CX 丿 3 ex I虽然标准k- &模型已广泛应用于对于不可压缩流动的预测，但是它在可压缩

14、 相对物的预测的表现是欠佳的。那一贯提前预测的湍流水平，因此显示湍流耗散 增强的可压缩流动。大量的k- &模型的修改已经被不同作者提出，其中包括修正 湍流能量耗散的常量速率方程(Baz,1992;Chen and Kim ,1992)，和耗散率本身(Sarkar et al.1991; Zeman,1991)b 现在作者以前的作品(Fairweather和 Ranson 2003、2006)表示，对于典型流动的研究，模型提出Sarkar et al.(1991提供了最可 靠的预测。这种模式指定总损耗作为湍流马赫数的函数，来自于可压缩流动的雷诺应力精确传输方程的直接数值模拟的分析。观察由振动包含

15、流表明，重要的水槽通过震动产生的湍流动能预算，是一个可压缩湍流耗散率，在较小的程度上， 是压力-扩张技术。在各向同性湍流流动中，压力-扩张来看发现极小，因此提出 了可压缩耗散率表单。(13)2=CMt ；常数C是被一致视为可忽视的圧力扩张，并且 Mt是湍流马赫数。k- 模型的运用由湍流能量演化方程修改而来，湍流粘度被方程式(14)和(15)分别定义为:(14)(15)(16)7心一L(1 Mt2 )湍流马赫数的定义为:1/2M-江c其中C是当地音速。图4孔板法兰样品图5高速摄像机拍摄的一个 9m泄放图6演示了在轴向中心速度剖面，预测一个高度膨胀不足的喷气的修改效 果，(Donaldson和Snedeke, 1971)报道。标准k- &模型显然是太耗散，导致早 期的压缩/解压缩循环的衰退。剩余的可压缩修正模型，尽管无法描述第二个解 压循环最高峰的速度的大小，通过减少泄漏率，可以明显看出和实验观察的一致 性。3.3流体性质和组分运输3.31非理想状态方程Peng-Robinson状态方程(Peng an