1.选题背景
CCUS是一种的重要减排技术，因此受到国际社会的高度重视。二氧化碳的捕集是CCUS 的首要技术环节【1】和日渐形成的低碳经济【2】的技术基础。二氧化碳和水蒸气是主要的燃烧产物，混合气体的凝结相变传热是在碳捕集中实现水蒸气和二氧化碳分离的主要过程，同时CO2/H2O混合气体的降膜凝结是一种方便、廉价的气体分离手段，是CO2捕集、利用与封存的重要技术方案之一。本课题针对研究CO2/H2O混合气体凝结规律，选择采用CFD软件进行建模和UDF函数模拟计算，而针对这种混合气体的降膜凝结（即降低液膜厚度以及热阻）的研究，需要有建模前期假设和控制方程以及边界方程的设置，通过查阅文献我们可以得到这些理论知识依据。
2.模型假设
在某些模型运用UDF函数进行数值模拟之前，会提出对结果影响不大但是必要的假设【3】，例如：气相包含不可冷凝气体和水蒸气的二元理想气体混合物；蒸汽界面处存在局部热力学平衡；液膜的热阻被忽略；仅考虑膜状凝结而忽略珠状凝结等。而针对此课题，还应该考虑CO2在凝结液中的微溶（甚至可溶）特性，因此在建模数值模拟之前，要根据选择的模型和凝结平面做出合适的假设。
3.模型的建立和控制方程
气相模型采用Species模型，液相特性用UDF程序编制。我们通过资料显示在模拟凝结过程，当流体从气相转变为液相，会引发一部分流动参数的突变，在气体混合物和冷凝液之间的界面处膜，因为水蒸气凝结成水状液体，会引起混合气体的动量损失【4】，这个是和无相变的传热过程不同的，所以我们需要合理的控制方程和边界条件设置来解决这个问题，在一般的模拟过程中，可以通过考虑混合物的一般守恒方程（连续性，动量，能量）来处理水蒸气和不凝结气体的排放量【5】，并补充蒸气（或不凝结气体）的传输方程。以及可以通过用户定义函数（UDF）将冷凝过程对混合相中的流量和物质分布的影响合并到流量计算中，因此各类源项是控制方程的重点。同时还有研究人员提出不凝气体存在时垂直管内湍流蒸汽冷凝的理论【6】，并采用近似方法计算冷凝膜厚度。以上研究结果和对应的模型方程对于本课题的建模过程都具有参考价值。
4.工况条件的改变对凝结换热的影响
根据科研人员之前对存在不凝气体的情况下，水蒸气凝结的传热和传质的对比分析，有研究表明二氧化碳组分和过冷度对壁面平均传热系数有影响【7】：冷凝传热性能随CO2浓度的增加而显著降低，随表面过冷度的增加而降低，并且随着CO2质量分数的增加而降低；随着CO2浓度的增加，传热系数的变化幅度减小【8】；在低浓度CO2的条件下，壁面平均传热系数随着过冷度的增大显著下降【9】。还有研究发现，压力、速度、热通量和质量流量不同运行参数对于CO2/H2O混合气体的凝结效果都有影响【10】。而混合气体换热的主要热阻来自于气相热阻，它受单相气体管外对流规律的影响很大，根据传热传质的比拟理论，单相对流换热强的地方，传质能力也强，而潜热换热在总换热量中占相当的份额【11】。因此本课题也要改变多种工况参数，进行多组实验数据的对比。
- 与边界层理论的对比
现在的模拟过程中，多数模型以Nusselt 凝结理论【12】和Sparrow 等的边界层理论为基础而建立【13,14】 ，因此我们要将fluent模拟计算得到的多组混合气体凝结规律与降膜凝结的边界层分析结果进行对比，总结出CO2/H2O混合气体降膜凝结的传热传质特性。
【1】 魏凤, 江娴, 周洪. 基于 CCS 的 MEA 脱碳技术全球专利发展态势. 化工进展, 2015,34(12):4415-4421
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