基于高精度数值模拟的CO2管道输送中两相流瞬态特性与热力学耦合研究

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Modeling two-phase multicomponent CO2 mixtures in offshore pipelines under hydraulic shock

　　本文针对碳捕集与封存（CCS）系统中超临界CO2管道输送过程的两相流瞬态行为，通过建立一维可压缩均质平衡模型（HEM），结合高阶WENO-Z格式和HLLC通量算法，揭示了阀门启闭操作引发的压力波传播规律及相变热力学效应。研究首次量化了管道-土壤热交换对流体温度场的影响，为高风险工况下的安全控制提供了理论依据。

　　

随着全球碳减排需求的日益紧迫，碳捕集与封存（CCS）技术成为实现碳中和目标的关键路径。其中，超临界二氧化碳（CO₂）的管道输送是连接捕获源与封存地的重要环节，但运行过程中阀门快速启闭、地势起伏等工况易引发复杂的两相流瞬态现象。这类现象可能导致压力震荡、相态转变甚至管道破裂，对系统安全构成严重威胁。然而，现有研究多集中于稳态工况，对瞬变过程中流体热力学行为与管道结构耦合机制的认识仍存在空白。

为深入解析这一科学问题，研究团队在《International Journal of Greenhouse Gas Control》发表论文，通过构建一维可压缩均质平衡模型（Homogeneous Equilibrium Model, HEM），结合高阶数值方法，系统性研究了CO₂管道在阀门操作下的动态响应。该模型同时考虑了流体动力学、相变热力学和管道-环境热交换效应，首次实现了对瞬态过程中压力波传播、温度分布及相界面演化的高精度模拟。

关键技术方法包括：采用五阶WENO-Z格式进行空间重构，结合HLLC通量求解器处理两相流界面问题；通过GERG-2008状态方程描述CO₂混合物的真实热力学性质；引入Friedel摩擦因子模型计算两相流阻力，并利用Barletta传热模型量化埋地管道与土壤的非稳态热交换。

压力波传播特性分析

通过对比Wood声速公式与HEM模型，研究发现两相区声速显著低于单相区，且受气相体积分数（α_v）影响呈现非线性变化。当α_v接近0.5时，混合声速达到最小值，此时压力波传播速度减缓，加剧了系统的不稳定性。阀门关闭实验中，模拟捕捉到压力波在管道内的多次反射现象，最大压力峰值出现在波阵面叠加区域，较初始压力升高约23%。

热力学耦合效应

研究揭示了相变潜热对温度场的调控作用：当压力骤降导致液相CO₂闪蒸时，吸热效应使局部温度骤降最高达15K，而气相凝结放热则引发温度回升。这种热波动进一步反馈影响流体密度与声速，形成热-力耦合循环。管道埋深与土壤热扩散率的模拟表明，浅层敷设管道更易受地表温度周期波动的影响，导致流体温度日变化幅度达±2K。

阀门操作动力学影响

通过参数化阀门关闭曲线（关闭时间τ与形状因子κ），研究发现线性关闭（κ=1）产生的压力冲击较缓变关闭（κ=10）低18%。凸形关闭曲线（κ>1）在初期产生温和的流量衰减，而凹形曲线（κ<1）则导致末期流量突变，引发更高幅值的压力震荡。此外，研究首次量化了阀门特性对气相析出位置的影响：快速关闭会促使气相在阀门前端集中形成，而缓慢关闭则使气化区域向管道中段扩散。

研究结论与意义

本研究通过高精度数值模拟，阐明了CO₂管道输送系统中两相流瞬态行为的热-力耦合机制。主要结论包括：（1）两相区声速的非线性变化是压力波演化的关键控制因素；（2）相变潜热与管道环境的热交换共同主导温度场分布；（3）阀门操作策略直接影响气相分布模式与压力冲击强度。该研究为CCS系统中管道安全设计、阀门控制优化提供了理论工具，尤其对防范相变诱发的水击现象具有重要工程指导价值。未来工作可进一步结合三维模型与真实地形数据，提升对复杂管网系统的模拟预测能力。