Ny metode gjør det mulig med direkte numerisk simulering av trefase-strømning av CO2

Bloggere: Svend Tollak Munkejord, Magnus Aa. Gjennestad, Andrea Gruber, Karl Yngve Lervåg, Åsmund Ervik and Morten Hammer

IPCCs femte hovedrapport påpeker at CO₂-håndtering (CCS) er en av de viktige teknologiene som trengs for å nå togradersmålet. CCS-systemene som skal bygges ut må designes og drives på en sikker og effektiv måte, og for å kunne gjøre det, trengs modeller og data.

• Les mer om SINTEFs kompetanse innen CO₂-håndtering

Vi har arbeidet med utvikling av modeller som beskriver strømningen i og ut av rør og brønner, se f.eks. bloggen «Trygg og kostnadseffektiv CO₂-transport må tallfestes». Disse modellene beskriver strømning i én dimensjon. For en del anvendelser, slik som simulering av CO₂-jeten som oppstår ved trykkavlastning av utstyr som inneholder CO₂ under høyt trykk, så er dette ikke detaljert nok, og man trenger å ta hensyn til hele den tredimensjonale strømningen. 

Høyere ordens parallelle beregninger

I prosjektet «3D Multifluid Flow», finansiert via Norges forskningsråds basisbevilgning til SINTEF Energi, har vi satt sammen våre modeller som beskriver den termodynamiske oppførselen til gass, væske og fast CO₂ (og blandinger av disse fasene) med nøyaktige høyere ordens metoder for 3D-strømning. Slike metoder kan beskrive strømninger med en gitt nøyaktighet med en lavere data-prosesseringskostnad enn konvensjonelle metoder. Flerfasestrømning av CO₂ er likevel høyst kompleks, og beregningene må kjøres parallelt på store datamaskiner. Noen av beregningene våre ble kjørt på Noturs regneklynger.

Validering for tønnesjokk

Dette arbeidet ble nylig publisert i en artikkel in Journal of Computational Physics. (Artikkelen kan også leses i form av et preprint). I artikkelen verifiserer og validerer vi det nye beregningsprogrammet vårt ved å studere test-beregninger og data fra litteraturen. Vi ser spesielt på direkte numerisk simulering (DNS) av en luft-jet. Her betyr DNS at turbulensen blir beskrevet med en metode som løser opp strømningen både i tid og rom, uten å ty til turbulensmodeller. Til sist studerer vi trykksatt CO₂ som strømmer gjennom en liten dyse og som deretter danner en sterkt underekspandert jet og som består av CO₂ i gass-, væske- og fast form. Under disse forholdene dannes et tønnesjokk, og formen og størrelsen av våre beregnede tønnesjokk stemmer godt med tidligere laboratoriemålinger. Den tønne-aktige sjokkstrukturen kan sees i plottet nedenfor.

Video som viser utviklingen av turbulens i en CO₂-jet. CO₂ med trykk 52 bar strømmer ut gjennom en dyse med diameter 1 mm. Fargene viser størrelsen på virvlingen.

Med disse lovende resultatene ønsker vi å fortsette arbeidet på metoden og bruke den til å beregne komplekse CO₂-strømninger i jeter, prosessutstyr og rør eller brønner