环境风向对CO2直接空气捕集（DAC）系统性能影响的大涡模拟研究

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Ambient wind direction impacts on the performance of a CO 2 direct air capture system determined using large eddy simulations

　　

环境风速和风向显著影响直接空气捕集（Direct Air Capture, DAC）系统的性能。研究人员采用大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）结合自研边界条件（atmosDacBoundary）的方法，研究了风向（0°、30°、45°、60°、90°）和风速（1–9 m/s）对基于冷却塔的DAC单元CO₂捕集性能的影响。结果表明，风速增加会加剧入口速度和CO₂捕集特性的波动，从而降低平均捕集量。风向增加通常导致总捕集速率和捕集量下降，最小值出现在近垂直角度（60°和90°）附近，具体取决于风速。其潜在机制涉及依赖风向的尾流回流和涡结构（如马蹄涡、流向边缘涡），这些结构影响DAC入口的流速和CO₂浓度，进而影响捕集速率和捕集量。该研究为预测实际大气条件下DAC性能以及优化DAC单元朝向提供了定量依据。

近年来，大气二氧化碳（CO₂）浓度持续攀升，作为人类活动产生的主要温室气体，其是导致全球变暖的关键因素。科学共识认为，仅靠减排难以在2050年前实现净零排放目标，需大力发展二氧化碳移除（Carbon Dioxide Removal, CDR）技术，其中直接空气捕集（Direct Air Capture, DAC）是一种从环境空气中规模化提取CO₂的可行方法。DAC系统分为液体吸收和固体吸附两类，其中基于冷却塔几何结构的DAC因使用廉价组件（如填料、风机和液体分布设备）而受到关注。在此类系统中，吸收液通过填料分布，风机抽吸环境空气穿过填料，捕集CO₂后排出贫CO₂空气。然而，实际环境风条件会显著影响DAC系统的性能，但以往研究多局限于单一风向，特别是仅考虑风与DAC进风口对齐的情况（即风向角θ=0°）。不同风向下，DAC入口处的流动结构、尾流再循环及其与入口的相互作用机制尚不清楚，这限制了DAC在实际多变气候下的性能预测和优化。

为了填补这一空白，研究人员在此前开发的自研边界条件atmosDacBoundary和基于大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）的方法基础上，系统研究了多个风速和风向组合对DAC单元性能的影响。研究人员模拟了五个风向角（θ=0°、30°、45°、60°、90°）和七个参考风速（U_ref=1、2、3、5、6、7、9 m/s）的组合，计算了CO₂捕集速率（capture rate, η）和捕集量（capture amount, (CO₂)_cp）。通过流场和涡结构分析，揭示了风向依赖的尾流相互作用机制。结果表明：风速增加导致DAC入口速度波动增强，捕集量降低；风向从0°增至90°时，总捕集速率和捕集量总体下降，最低值出现在近垂直角度（60°或90°）。机制方面，不同风向下DAC入口附近形成不同类型的涡