超临界CO?在多孔芯片内的流动可视化实验与数值分析：传热效应及多孔结构的影响

《The Journal of Supercritical Fluids》：Visualization Experiment and Numerical Analysis of Supercritical CO 2 Flow inside Porous Chip: Effect of Heat Transfer and Porous Structures

超临界CO?在多孔介质中的流动与传热特性通过实验与数值模拟结合研究。实验表明提高出压增强动量交换但降低流场均匀性，升温可降低粘度并改善均匀性。数值模拟揭示入口雷诺数、温度及壁面热流对传热系数（HTC）的非单调影响，超出最优范围HTC下降75-94%。超临界状态下多孔介质结构有效抑制CO?热物理非线性扰动，保持局部HTC强鲁棒性。

　　本文围绕超临界二氧化碳（sCO?）在多孔介质中的流动与传热特性展开研究，旨在揭示其在地质封存过程中的迁移机制。作为应对全球变暖的重要手段，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术在减少温室气体排放方面具有关键作用。sCO?因其独特的物性，如低流动阻力、高扩散能力等，成为该技术中不可或缺的介质。然而，其在多孔介质中的行为仍然存在诸多不确定性，特别是在临界温度附近，sCO?的热力学特性会发生剧烈变化，影响其流动与传热效率。因此，对sCO?在多孔介质中的流动与传热机制进行系统研究，不仅有助于理解CCUS过程的科学基础，也为工程应用提供了理论支持。

本研究结合了光学可视化实验与数值模拟两种方法，以更全面地解析sCO?在多孔介质中的流动与传热行为。实验部分采用了能够在超临界条件下运行的可视化平台，能够直接观察并记录sCO?在多孔结构中的流动状态。通过获取不同超临界操作条件下的时间序列图像，研究人员对温度和压力对sCO?流动均匀性的影响进行了定性分析。此外，实验结果表明，当增加出口压力时，虽然会增强动量交换，但可能导致流动的不均匀性增加；而提高入口温度则有助于降低流体粘度，平滑密度梯度，从而提升流动的均匀性。这表明在实际应用中，需要对操作参数进行精细调控，以达到最佳的流动效果。

在传热方面，实验结果显示，在超临界条件下（压力：8.2–8.6 MPa，温度：32–34 °C），边界参数如入口雷诺数、入口温度和壁面热通量对传热系数（HTC）的影响呈现非单调性，每个参数都有其最佳影响范围。当参数超出该范围时，HTC会显著下降，下降幅度可达75%至94%。这一发现为优化传热性能提供了重要依据，表明在实际操作中需对边界条件进行精确控制，以确保传热效率的最大化。同时，研究还指出，在跨临界条件下（压力：7.5–9.0 MPa，温度：303.15 K），多孔介质的结构能够有效抑制由于sCO?热力学非线性引起的扰动，通过流动惯性使得局部传热系数对出口压力和热通量的变化具有较强的鲁棒性。这表明，在跨临界条件下，多孔介质的结构特性对传热过程具有显著影响，为设计更高效的封存系统提供了理论支持。

数值模拟部分则采用了高分辨率网格离散化的各向同性多孔介质模型，以更系统地分析sCO?在跨临界条件下的微尺度传热特性。研究通过传热系数（HTC）和佩克莱数（Pe）对多孔结构对传热的影响进行了定量表征。同时，还进一步揭示了伪临界温度、入口温度、入口雷诺数和壁面热通量等参数对sCO?传热特性之间的协同作用及其内在机制。这些模拟结果为理解sCO?在多孔介质中的传热行为提供了更深入的视角，并有助于开发更精确的预测模型。

目前，已有大量研究围绕sCO?在多孔介质中的流动与传热特性展开，涉及多种实验方法和数值模拟技术。例如，核磁共振成像（MRI）已被用于研究sCO?在异质多孔介质中的分布特性，以及量化裂缝与基质质量传递对流体饱和度的影响；X射线微计算机断层扫描（X-ray micro-CT）则实现了对孔隙尺度下sCO?流动过程的直接观测，揭示了孔隙结构与流动效率之间的关系。此外，相位移干涉仪和光学可视化技术也被用于研究sCO?在微通道中的边界层传热特性，明确了伪液与伪气相之间的界面演化过程。

尽管这些研究取得了重要进展，但大多数仍存在一定的局限性。一方面，部分研究过度强调sCO?与其他流体之间的位移相互作用，而忽略了sCO?与多孔介质之间的直接热力学耦合，如孔壁传热和孔喉处的粘性耗散效应。这种简化处理将多孔结构视为被动框架，导致对sCO?与多孔结构之间相互作用机制的理解不够深入。另一方面，现有的可视化技术虽然能够捕捉宏观流动模式，但在解析跨临界区域内的微观流动转变方面存在分辨率限制，例如密度梯度反转和气液界面振荡等现象。尽管微流体实验能够揭示位移路径，但由于玻璃芯片的承压能力限制，无法实现sCO?在超临界状态下的操作条件，从而遗漏了对流动惯性与热扩散机制之间竞争关系的关键洞察。

此外，当前的数值模型大多依赖于均质化假设，将多孔网络简化为等效渗透率参数，忽略了几何异质性对跨临界传热的调控效应。例如，虽然计算流体力学（CFD）研究分析了流动阻力，但其均质化方法掩盖了sCO?与固体之间的孔隙尺度热边界层相互作用，导致预测与实验结果之间的显著偏差。同样，尽管有研究对sCO?在多孔介质中的动态临界温度线进行了分析，但并未将其与具体的传热特性联系起来，导致对传热机制的理解不够完整。

为了克服这些局限性，本研究构建了一种能够在超临界压力条件下运行的光学可视化实验平台，实现了对sCO?在多孔结构中的流动行为的直接观察和记录。通过获取不同超临界操作条件下的时间序列图像，研究人员对温度和压力对sCO?流动均匀性的影响进行了系统分析。同时，结合高分辨率网格离散化的各向同性多孔介质模型，对多孔结构对sCO?在跨临界条件下的微尺度传热特性进行了定量表征。这些方法的结合不仅提高了实验与模拟的精度，也为进一步揭示sCO?在多孔介质中的流动与传热机制提供了新的思路。

在实验平台的搭建过程中，采用了刻蚀玻璃芯片作为具有特定孔隙结构的多孔介质，并将其水平放置于实验装置中。为了防止sCO?与周围设备之间的热传递影响实验结果，所有实验设备均放置在恒温室内，且在实验开始前，恒温室的温度被设置为与操作温度一致。此外，实验过程中对操作条件进行了严格控制，确保实验结果的可靠性。通过选取具有水动力稳定性的出口区域作为观察对象，研究人员能够更清晰地捕捉sCO?在多孔介质中的流动特征，并进一步分析其在不同操作条件下的变化规律。

本研究的结果表明，sCO?在多孔介质中的流动与传热特性受到多种因素的共同影响。其中，出口压力和入口温度是影响流动均匀性的关键因素，而入口雷诺数、入口温度和壁面热通量则对传热系数产生显著影响。这些参数的优化对于提高sCO?在多孔介质中的流动与传热效率至关重要。此外，研究还指出，多孔介质的结构特性在跨临界条件下能够有效抑制由于sCO?热力学非线性引起的扰动，通过流动惯性使得局部传热系数对出口压力和热通量的变化具有较强的鲁棒性。这一发现为设计更高效的封存系统提供了理论依据，表明在实际应用中，应充分考虑多孔介质的结构特性，以优化传热和流动性能。

本研究的实验与模拟方法不仅提高了对sCO?在多孔介质中行为的理解，也为CCUS技术的发展提供了新的研究思路。通过结合光学可视化实验与数值模拟，研究人员能够更全面地解析sCO?在多孔介质中的流动与传热机制，揭示其在不同操作条件下的变化规律。这些结果不仅有助于优化操作参数，提高封存效率，也为进一步研究sCO?在复杂多孔介质中的行为提供了基础。此外，本研究还强调了对多孔介质与sCO?之间直接热力学耦合的重视，认为这一方面是当前研究中被忽视的重要领域，未来需要进一步探索。

综上所述，本研究通过实验与模拟相结合的方法，系统地揭示了sCO?在多孔介质中的流动与传热特性。研究不仅分析了出口压力和入口温度对流动均匀性的影响，还揭示了入口雷诺数、入口温度和壁面热通量对传热系数的非单调性影响。同时，研究还指出，在跨临界条件下，多孔介质的结构特性能够有效抑制由于sCO?热力学非线性引起的扰动，使得局部传热系数对出口压力和热通量的变化具有较强的鲁棒性。这些发现为优化CCUS技术提供了重要参考，也为未来研究sCO?在多孔介质中的行为奠定了基础。通过进一步研究多孔介质与sCO?之间的直接热力学耦合，以及优化操作参数，可以更有效地提高封存效率，减少碳排放，实现碳中和目标。