發(fā)布時(shí)間：2018-07-11 10:17

  本文選題：超臨界二氧化碳泄漏 + 二氧化碳運(yùn)輸安全��； 參考：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：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,而安全則保證了運(yùn)輸?shù)挠行�。目前在英�?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?通常會(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)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)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口外部自由擴(kuò)散。利用在程序中加入人工粘性,來(lái)模擬在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的馬赫盤,以及出現(xiàn)在流場(chǎng)近場(chǎng)中的弓形激波,并得到泄漏口附近溫度、壓力、速度等流動(dòng)參量。最后結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)研究,,從物理上剖析了超臨界二氧化碳泄漏發(fā)生時(shí)所發(fā)生物理現(xiàn)象及其機(jī)理,并通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證高壓射流模型和其中各個(gè)參量之間耦合關(guān)系,將此前的研究工作完成了良好的串聯(lián)。
[Abstract]:Facing the increasingly severe energy crisis and the form of environmental safety, how to effectively clean and use fossil fuels is a scientific and technical problem widely studied in the world today. In recent years, carbon capture and sequestration technology, due to its considerable industrialization potential, is recognized as the most promising solution to all kinds of energy saving and emission reduction technologies. One of them is also an important means of energy saving and emission reduction to the "low-carbon economy". Carbon capture and storage technology is mainly divided into three parts: carbon capture, carbon dioxide transport and carbon sequestration. Efficiency and safety are the two important indicators of the technology. In the process of transport of carbon dioxide, the two key points are especially important, and the efficiency is guaranteed. The economy of transportation is confirmed, and safety ensures the effectiveness of transportation. At present, in Britain, South Korea and other countries have begun to study the process of safe transportation and leakage of carbon dioxide. The research in this area is also in its infancy. The core content of this paper is that the supercritical carbon dioxide in transportation is occurring in the pipeline. The change process and physical mechanism during the leakage of high pressure fluid in the process of leakage, pipeline transportation is an important means of carbon dioxide transportation. In pipeline transportation, in order to maintain the efficiency of transportation, the fluid in the pipeline is usually maintained at a certain high pressure. In the pipeline transportation, carbon dioxide is generally added. The supercritical state transport of carbon dioxide in a supercritical state not only has high diffusivity similar to gas, low viscosity, but also has a high density of similar liquids, which can transport carbon dioxide more efficiently than in liquid and gaseous transport. Pipes and surrounding environment have higher hazards. Due to their high pressure characteristics, the choked flow occurs inside the leaks at the time of leakage, and affects the flow in the pipe and transport efficiency; the bow shock formed by the huge pressure difference between the leakage fluid and the environmental pressure near the leakage, Mahope and the expansion wave, etc. In this paper, the main object of small scale supercritical carbon dioxide leakage is selected, from gas dynamics, heat transfer, hydrodynamics and safety related basic subjects. Based on the theory and combined with experimental research, the main physical phenomena in different regions of the leakage of supercritical carbon dioxide and its influence on the safety of the pipeline and surrounding environment are revealed, and the dynamics of the physical phenomena occurring in the process of carbon dioxide leakage are further revealed by numerical simulation. Mechanism: the final combination of theory, experiment and numerical simulation provides theoretical guidance and some technical advice for the detection and analysis of high pressure fluid leakage. The main work of this paper is as follows: in the theoretical research, some traditional models of the high pressure jet are introduced first, and the supercritical fluid jet is combined with the supercritical fluid. The characteristics of carbon dioxide are improved, and then through the comparison of the classical leakage model, a three stage supercritical carbon dioxide leakage model with the leakage is established, and the condition that the internal flow parameters of the small scale pipeline are difficult to measure when the pressure leakage is affected to the internal flow in the pipe is studied. A method of indirect measurement of the intensity of the choked flow inside the leak with the dimensionless heat transfer parameters was used. A near field high pressure leakage model was established near the vent, and the relationship between the velocity and the leakage flow in the leakage process was deduced, and the physical phenomena such as the dry ice layer near the leakage and the formation of the bow shock wave were observed and explained, and the leakage of the leakage was explained. The characteristics of airflow temperature and velocity distribution and the interaction relationship between the flow characteristics of high pressure air flow are studied outside the mouth. In the experimental research, the "supercritical CO2 pipeline transportation and leakage simulation experiment platform" is designed and built independently. Based on this platform, many different sizes of leakage and different leakage flow are developed. The first series is to study the leakage pressure, leakage mass flow rate, flow velocity and temperature change in the same aperture leakage of different state carbon dioxide, to verify and improve the leakage model. The second series is to study the change of the state of the fluid when the supercritical carbon dioxide is leaked in a small scale. The relationship between the environment and the environment provides detailed data support for the detection of the leakage of the supercritical fluid, and the detailed analysis of the physical phenomena in the leakage process and the change rules of the physical parameters that affect the change of the leakage. In the numerical simulation study, the two step L-W program calculation model, which is written independently, is mainly used. The quasi supercritical carbon dioxide axisymmetric jet and its free diffusion process are simulated by changing the diameter of the leak aperture and the initial fluid velocity of the leakage to simulate the free diffusion of the supercritical carbon dioxide at the outside of the leakage. By adding the artificial viscosity in the program, the Maher disk observed in the experiment is simulated and the output is simulated. The current flow parameters such as temperature, pressure and velocity near the vent are obtained in the near field of the flow field. Finally, the physical phenomena and the mechanism of the supercritical carbon dioxide leakage are physically analyzed by the theoretical and experimental research, and the coupling between the high pressure jet model and the coupling parameters is verified by the numerical model. The partnership has completed a good series of previous research work.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ116.3;TQ022.115

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本文編號(hào)：2114795