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- 文献综述
研究目的与意义
工业的发展带动了人类的进步，但随之也带来诸多问题。其中，以CO2为主的温室气体排放而造成的“全球气候变暖”和“温室效应”等问题，引起世界各国政府、科学工作者的密切关注。面临如此严峻的环境形势，各国纷纷寻求减少温室气体排放的措施，CO2的捕获和埋存是其中一个非常有前景的解决途径[1]。CO2捕获和埋存（CCS）是指将CO2从工业或相关能源中分离出来，输送到一个封存地点，并且长期与大气隔绝的一个过程。枯竭的油气田，深盐水层和不可开采的深煤层是常见的CO2埋存场址。
其中，CO2深盐水层埋存一般不涉及对生态圈的影响，具有其独特优势，地下盐水层具有发达的圈闭结构，并且盐水层中的水由于其高盐度而难以利用，因此这些地下层成为重要的CO2存储体[2]。而且全球预测可以埋存CO2达1000~10000千兆吨，具有广阔的前景，未来很有希望在缓解温室气体排放压力方面发挥巨大的作用。
分析二氧化碳盐水层埋存的传质规律，研究盐效应对埋存过程中传质规律的影响，建立一套完整的传质研究机制[3]，可为我国的CO2埋存实施项目提供一些有益的思路，有利于温室气体问题的解决，为环保事业做出一定的贡献。
盐水中气液界面Rayleigh对流研究进展
目前关于深盐水层封存CO2技术的报道已有很多，其主要技术难题在于深盐水层封存的实际效率和长期注入安全性，因而对注入过程的机理进行详细研究很有必要。气体被注入地质深层时，会聚集于盐水的上部，随时间推移CO2在界面处发生分子扩散，上层富含CO2的盐水密度较高，与下层的低密度盐水可引发密度驱动的自然对流，即Rayleigh对流。该过程对CO2封存十分有利，促进了CO2在盐水中的溶解混合，缩短了安全储存所需时间。因此，研究Rayleigh对流过程的传质规律具有十分重要的意义。
一些学者采用理论研究的方法，使用线性稳定性理论和高阶数值积分研究了这种不稳定对流如何影响CO2的溶解速率。Rapaka等人[4]计算了密度驱动对流的最大扰动放大率，该扰动是由底层介质中的CO2溶解在盐水中引起的，使初始扰动在整个空间上得到了优化。他们进行了控制方程的3D光谱计算，与从光谱计算获得的结果相比，他们的结果显示出很好的一致性。Emami等人[5]使用基于有限差分法的直接数值模拟，对流指状物的相互作用和流拓扑学来研究系统的非线性动力学。非线性仿真的结果证实了线性稳定性分析的预测结果，并表明指形扩散图样受反应，各向异性，分散和毛细作用的综合影响。理论预测的定性结果大体让人满意，但其在定量方面，往往需要实验提供精确的数据作为基准。
也有研究者使用压力-体积-温度（PVT）细胞或Hele-Shaw细胞等方法进行了实验研究。最近，Mahmoodpour等人[6]设计了一种Hele-Shaw细胞实验装置，构建了一个真实的CO2盐水系统，用玻璃珠代表多孔介质，获得了以扩散为主的过程中的数据，并根据压力衰减曲线来计算CO2的扩散系数，同时从压力衰减曲线也可以检测到对流的发生，结果表明在对流手指中，与瑞利数相对应的密度差不稳定性会产生，增长并最终发生。Farajzadeh等人[7]进行了一些实验来研究最初充满液体的多孔介质顶部暴露于富含CO2的气相时，瞬态密度驱动的自然对流问题，借助无量纲基团来考察不同参数对向多孔介质中注入CO2的影响，结果表明，自然对流的影响随着瑞利数的增加而增加，瑞利数取决于多孔介质的特性（主要是渗透率）和流体特性，流动的非线性行为在很大程度上取决于瑞利数。光谱方法已用于生成渗透率非均质场来图像化对流溶解过程，同时不干扰反应系统。但实验研究也有其局限性，其数量有限，且系统的宽度是有限的，可能导致一些横向边界效应。
