氢富集流中旋流位置对超音速CO2 冷凝及能量分布的调控机制与喉部旋流优化策略

为解决氢能产业链中CO2 高效捕集与分离难题，中国石油大学（北京）研究人员创新性地提出喉部旋流优化策略，通过建立H2 -CO2 双欧拉模型，系统研究了旋流位置对超音速冷凝分离的影响机制。研究发现喉部旋流方案可实现2.6×1023 m-3 ·s-1 的成核速率和1312.5 m2 ·s-2 的湍流动能，显著提升液滴形成与分离效率。该研究为超音速分离器设计提供了新思路，对清洁氢能技术发展具有重要指导意义。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注。然而，化石燃料制氢过程中产生的CO₂
排放问题亟待解决。传统碳捕集技术如压力摆动吸附(PSA)、低温分离等存在能耗高、设备复杂等瓶颈。超音速分离技术因其快速冷凝特性被视为潜在解决方案，但现有旋流分离器存在成核位置控制不精准、能量损失大等关键问题。针对这一技术挑战，中国石油大学（北京）的研究团队在《Fuel Processing Technology》发表了创新性研究成果。

研究团队采用计算流体力学(CFD)模拟结合用户自定义函数(UDF)编程技术，构建了集成真实气体状态方程、旋流效应和CO₂
非平衡冷凝动力学的数值模型。通过网格独立性验证（1,962,866网格单元）和实验数据对比（最大偏差5.9%），验证了模型的可靠性。研究重点比较了预旋流、喉部旋流和后旋流三种构型，采用标准k-ω湍流模型和密度基求解器分析流场特性。

在"几何模型"部分，研究设计了总长250mm的拉瓦尔喷嘴，收敛段采用七次优化双三次曲线(n=7, x_m
=0.35)，发散段为2°直线结构。通过将单叶片旋流器（扭角90°）分别置于喉部上游60mm（预旋流）、喉部（喉部旋流）和喉部下游27mm（后旋流）位置，系统考察了旋流位置的影响。

"冷凝参数影响"研究表明：喉部旋流方案使成核位置前移至x=0.140m，在叶片边缘形成2.57×10²³
m^-3
·s^-1
的峰值成核速率，超冷度达20.37K。相较于预旋流方案，轴向出口液相质量分数仅降低8.69%，但液滴半径减小至7.89×10^-8
m，更利于离心分离。而后旋流构型因二次膨胀不完全，液相质量分数显著降低46.8%。

"轴向能量分布"分析发现：喉部旋流在出口壁面环形区产生1312.5 m²
·s^-2
的湍流动能(TKE)，较后旋流提高31.0%。密度场重构显示喉部旋流方案在旋流叶片尾迹区出现62.1%-68.5%的气相密度突降，证实相变过程主导能量再分配。

"径向能量特性"揭示：所有构型的切向速度均呈现双极对称分布，在近壁区(y/R=0.92-0.96)达到峰值（喉部旋流为263.5 m/s）。密度场呈现"低中心-高边缘"特征，近壁区密度较中心区增加17.8%-57.8%，这种径向梯度随流动发展逐渐减弱。

研究结论指出：旋流位置通过改变虚拟喉部与真实喉部的匹配关系，显著影响超音速冷凝的时空特性。喉部旋流方案通过优化膨胀效率与湍流强度的协同作用，实现了成核行为强化（J=2.6×10²³
m^-3
·s^-1
）与分离效率提升的平衡。该工作阐明了能量梯度与相变动力学的耦合机制，为开发新一代超音速碳捕集装置提供了理论依据，对推进氢能产业链的低碳化转型具有重要工程价值。未来研究可进一步探索旋流强度与膨胀效率的多目标优化，以及实际工况下的动态响应特性。