管道输运CO2作为碳捕集系统中不可缺少的一部分,一旦失效(破裂、腐蚀等),将会造成巨大的生命和财产损失。小孔泄漏是常见的失效方式,因此,研究其泄漏规律对事故的预测和控制具有重要的指导和参考价值。研究长输管道CO2小孔泄漏过程中流场特征及流动中各参数对气体压力、温度和泄漏速率的影响规律,对于泄漏后采取及时有效的补救手段以及泄漏前评估管道可能存在的薄弱环节无疑都是非常重要的。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对长输管道CO2小孔泄漏进行了以下几方面的研究。首先,在合理假设的基础上,建立了针对长输管道CO2小孔非绝热泄漏的数学模型,并给出了压力、温度和泄漏速率的解析解,并系统研究了环境加热作用、初始压力、初始温度、泄漏孔直径和环境温度对泄漏过程中气体压力、温度和泄漏速率的影响。结果表明,泄漏孔径和初始压力对泄漏过程中的参数影响较大,其它因素对泄漏过程中的参数影响较小,换热作用的存在对温度影响较大而对压力影响较小。分析计算还表明,环境加热作用对泄漏速率的影响较小,在工程设计要求的精度范围内可以忽略。其次,建立了考虑相变凝结情况下长输管道CO2小孔泄漏的数学模型,同样得到了压力、温度和泄漏速率的解析解,并研究了凝结对泄漏过程的影响。结果表明,凝结作用与环境加热作用产生的效果相同,都会抑制气体温度的持续降低,但并不能使温度回升。分析计算结果还表明,凝结对泄漏速率仅产生有限的影响,工程计算时可以采用不考虑相变的绝热泄漏公式进行计算。用FLUENT软件对不同传热系数条件下的长输管道CO2小孔泄漏过程进行了模拟,得到了泄漏过程中压力、温度、泄漏速率随时间的变化规律及压力、温度、速度、马赫数及CO2含量的分布规律,并与解析解进行了对比。结果表明,模拟结果与解析解的误差在20%范围以内,这在一定程度上验证了CO2小孔泄漏过程解析解的可靠性,可以用于工程计算。此外,研究还表明,在泄漏孔处,各参数(温度、压力、速度等)梯度变化较大,而在管道内部各参数梯度变化较为平缓,从而证明了解析解中均匀场的假设是合理的。虽然临界泄漏阶段和亚临界泄漏阶段的时间相近,但是,大部分的CO2泄漏是在临界泄漏阶段完成的,即临界泄漏阶段占泄漏过程的主导地位。