粒径分布类型对CO2封存中颗粒迁移与滞留特性的协同调控机制研究

本文通过耦合计算流体动力学（CFD）与离散元法（DEM），系统研究了粒径分布类型对CO2封存过程中颗粒迁移与滞留行为的影响，揭示了多尺度颗粒协同堵塞孔隙的复合机制，为优化碳封存效率与降低地层损伤提供了关键理论依据。

　　

Highlight

流体控制方程

多孔介质中单相均质微可压缩流体流动的质量守恒方程（连续性方程）为：

?(ρε)/?t + ?·(ρv→) = 0

其中，ρ为流体密度，v→为流体渗流速度，ε为孔隙率。

低雷诺数流动通常由达西定律描述：

v→ = -K/μ (?p - ρg→)

其中K为渗透率张量，μ为流体粘度，p为流体压力。

对于颗粒多孔介质，渗透率K可通过Kozeny-Carman方程关联颗粒尺寸与孔隙结构。

模型建立

本研究建立了一个尺寸为1 mm × 3 mm × 1 mm的矩形几何模型，边界条件设置为无滑移、不渗透刚性壁面（图2）。为便于CFD-DEM耦合模拟，模型分为悬浮颗粒入口、出口和多孔介质区。悬浮颗粒入口和出口位于模型左右两侧，为防止颗粒逃逸，出口处设置虚拟过滤层。

悬浮颗粒平均半径的影响

本研究讨论了符合截断高斯分布的悬浮颗粒在多孔介质中的迁移与滞留行为。初始粒径分布如图6所示，平均值分别为1.5、2.5、5、7.5和10 μm。为避免生成不现实的小粒径，对1.5 μm组应用1 μm标准差，其他组应用1.5 μm标准差。模拟结果表明，增大平均半径会导致颗粒迁移能力减弱、滞留率升高，且滞留位置更靠近入口。

结论

本研究揭示了多尺度颗粒在超临界CO₂渗流中的协同堵塞机制：大颗粒易在入口处形成滤饼阻塞流道，小颗粒则通过桥接作用加剧孔隙喉道狭窄；不同概率分布的粒径组（如卡方分布、指数分布、均匀分布）表现出显著差异的滞留率与空间分布特征，凸显了实际工程中粒径多分散性的关键影响。