化石能源的大量利用是CO₂排放的主要来源，而作为温室气体的最主要组成部分，CO₂是导致全球气候变暖的主要因素之一，各国政府正在积极合作，努力探寻长期有效地解决途径。在全球气候变暖的自然趋势下，推行CO₂地质封存项目对减缓气候变暖进程和我国实施可持续发展战略具有非常重要的意义。

由于地下盐水层分布广泛，并且可以存储大量的CO₂，成为了封存温室气体的重要途径之一。盐水层中注入和封存CO₂的过程非常复杂，其中涉及多相多组分的复杂物理和化学过程。

近年来，西安交通大学化工系刘永忠教授一直致力于CO₂地质封存过程的相关理论研究。他说：“CO₂地质封存是一项非常有潜力的温室气体减排技术。由于地质构造的复杂性和现场实验的难度，封存过程和封存后都需要可靠的预测、监测和控制手段，目前深入的理论分析研究和封存机理研究是非常重要的，其中数值模拟就是是非常重要的研究手段之一。”

在近期的研究工作中，刘教授科研小组建立超临界CO₂－盐水体系的两相流驱替过程清晰界面模型和非清晰界面数学模型，深入研究了两相流界面的演化过程。在建模过程中，因为涉及多个物理过程和界面的耦合与演化过程跟踪，不可避免地要涉及大的时间和空间尺度下界面演化方程的求解，精确求解具有相当的难度。刘教授说：“COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件包成功的解决了多物理场耦合的问题，专业模块非常方便易用，不需要我们花费巨大的精力去学习软件，而可以专注于问题本身。”

CO₂的注入压力与饱和度的分布特性研究

刘教授科研小组成功的完成了对非均质多孔盐水层中超临界CO₂的注入压力与饱和度的分布特性研究。计算中，超临界CO₂驱替盐水的两相流动数学模型方程采用COMSOL Multiphysics提供的系数型和弱项型两种标准形式写出，另外耦合了Peng-Robinson状态方程和Jossi-Stiel-Thodos黏度方程以及对数正态随机孔隙率分布。四个PDE的耦合，求解起来依然非常迅速，研究人员很快得到了不同时刻CO₂饱和度和注入点压力的特性。

    对于无限空间盐水层中非清晰界面数学模型的部分计算结果如下所示(刘永忠，黄必武，王乐. 非均质多孔盐水层中超临界CO₂的注入压力与饱和度分布特性，化工学报，2010，61(1): 32-42)。

　图2 深层非均质盐水层中CO2的饱和度分布。

CO₂注入界面演化过程分析

考察CO₂在注入到有限空间盐水层过程中CO2－盐水界面演化的行为，有助于优化CO₂注入操作策略以及对CO₂注入过程进行有效控制以及注入以后的长期管理。研究人员建立了CO₂－盐水界面移动的清晰界面数学模型来描述CO₂和盐水的界面动力学演化过程。

刘教授在守恒的水平集方法基础上，建立了CO₂和盐水界面动力学的控制方程。在COMSOL Multiphysics的计算环境下，实现了CO₂界面的动力学演化分析。模型图如图3所示（Yongzhong Liu; Le Wang; Bo Yu. Sharp Front Capturing Method for Carbon Dioxide Plume Propagation during Injection into a Deep Confined Aquifer. Energy & Fuels, 2010 24(2):1431-1440）。

图 3 在深层盐水层中，CO2、盐水层系统示意图。

图4 CO2界面的演化过程，左图注入速率Q=1600m3/day，右图注入速率为Q=16m3/day。

图 6 注入过程中CO2沿不同方向（径向和轴向）的速度分布

（注入速率Q=1600m3/day，等价注入时间为2.14年）。

图7 注入过程中的压力分布（注入速率Q=1600m3/day，等价注入时间为2.14年）。

CO₂的地质封存是目前减缓CO₂温室气体的有效途径。但是实验条件会受到各方面的限制，不能单单通过传统手段进行研究，此时数值模拟和实验的结合会大大加快研究的进展，既节省了研究费用，又让两者互为验证。对科研人员来说，COMSOL Multiphysics已经成为在课题深入研究，多层次研究方面不可或缺的计算和分析工具之一。

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