Loading...

Pore-scale Investigation of Gas Mixing Phenomenon Using CFD Methods For Underground Hydrogen Storage

Ghanbari Masir, Mohadeseh | 2024

74 Viewed
  1. Type of Document: M.Sc. Thesis
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 57975 (06)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Chemical and Petroleum Engineering
  6. Advisor(s): Mahani, Hassan; Ayatollahi, Shahaboddin
  7. Abstract:
  8. The increasing trend of greenhouse gas production and the limited resources of fossil fuels has forced industries to find cleaner energy resources. Since hydrogen has the highest amount of energy per unit mass compared to other used fuels, it is expected to play an important role as an energy carrier. Underground hydrogen storage (UHS) is proposed to solve the imbalance between supply and demand of clean energy. UHS in abandoned gas reservoirs is more favorable because the remaining gas in place can play as the cushion gas for more hydrogen recovery. This technique increases the efficiency of hydrogen production however, the purity of the produced hydrogen decreases because of its mixing with the cushion gas. Therefore, it is important to investigate the conditions that maintain higher hydrogen purity through minimum mixing with the cushion gas to optimize the efficiency of the injection and production cycles. In this research work, computational fluid dynamics (CFD) is used to investigate the mixing of hydrogen and cushion gas at the pore scale of porous rocks. This scenario which can be followed by an upscaling technique leads to estimate dispersion parameters which are the main input for field scale simulators. For this purpose, COMSOL software has been used to solve mass and momentum conservation equations using the finite element method. For this purpose, Hydrogen dispersion in a capillary tube containing nitrogen gas has been simulated using different initial and boundary conditions. The results of this study demonstrate that increasing the purity of injected hydrogen—ranging from 10 to 100% by mass—in a continuous injection from one side leads to an increase in the dispersion coefficient and a deviation from a Fickian dispersion state. It was observed that the quality of the velocity definition for the equivalent model, even if the velocity changes in the system seem negligible, has a significant effect on the dispersion and Peclet power in dispersion vs Peclet plot. For continuous injection of pure hydrogen from one side and defining the velocity for the equivalent model as a function of time, dimensionless dispersion values and Peclet power we 0.01 and 1.8, respectively. Simulations were performed to investigate the effect of the density gradient term in the continuity equation. Simulations were conducted to examine the impact of the density gradient term in the continuity equation and the resulting modified stresses in the compressible velocity equation. It was also observed that the presence of density gradient in the flow direction in the system under consideration, where the movement is from lower to higher density, results in a reduction of the velocity in the mixing zone. This effect gradually decreases with increasing velocity, so that with an increase in velocity from 0.05 m/s to 0.2 m/s, the relative fluid velocity (velocity at each point divided by average inlet velocity) in the mixing zone increases from 0.75 to about 0.92 of the injection velocity at a dimensionless time of 0.17
  9. Keywords:
  10. Underground Hydrogen Storage ; Gas Mixing ; Pore Scale Simulation of Fluid Flow ; Dispersion ; Computational Fluid Dynamics (CFD) ; COMSOL Software

 Digital Object List

 Bookmark

  • مقدمه و هدف پژوهش
    • بیان مسأله
    • اهمیت موضوع
    • اهداف پژوهش
    • ساختار پایان‌نامه
  • مبانی نظری، مفاهیم و پیشینه پژوهش
    • مقدمه و اهداف فصل
      • محل‌های ذخیره‌سازی زیرزمینی هیدروژن
      • چالش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن
      • انواع گاز بالشتکی
    • پدید‌ه‌ی اختلاط
      • نفوذ و پراکندگی
      • انگشتی‌شدن
      • نیروهای گرانشی
    • معادله‌ی بقای تکانه
    • معادله‌ی بقای جرم
    • ضریب پراکندگی و پراکندگی
    • ضریب نفوذ و مدل‌های شار انتقال جرم نفوذی
      • مدل ماکسول-استفن
      • قانون فیک (برای سیستم چندجزئی)
      • تقریب میانگین مخلوط
    • روش‌های محاسبه‌ی ضریب پراکندگی
      • حل تحلیلی معادله‌ی فرارفت-پراکندگی
      • روش ممان‌ها
      • حل عددی معادله‌ی فرارفت-پراکندگی‌
    • پراکندگی عددی
    • پراکندگی غیر فیکی
      • دلایل ایجاد پراکندگی غیر فیکی
      • مدل‌های پراکندگی غیر فیکی
    • پراکندگی در پژوهش‌های ذخیره‌سازی زیرزمینی هیدروژن
    • عوامل مؤثر بر پراکندگی در پژوهش‌های پیشین
      • هندسه و ویژگی‌های زمین شناسی مکان ذخیره سازی
      • سرعت جریان
      • ضریب نفوذ و نوع گاز بالشتکی
      • اشباع آب
    • جمع‌بندی فصل
  • روش پژوهش
    • روش شبیه‌سازی
      • رویکرد شبیه‌سازی
      • معرفی نرم‌افزار کامسول
      • روش المان محدود
    • مفروضات مسأله و هندسه
    • خواص ترمودینامیکی گازها
    • معادلات حاکم
      • معادله‌ی بقای جرم
      • معادله‌ی بقای تکانه
      • نحوه‌ی حل معادلات
      • معرفی شرایط مرزی و اولیه
    • پارامترهای ورودی به شبیه‌ساز ، تنظیمات حلگر و اعداد بی‌بعد سیستم
    • روش محاسبه‌ی ضریب پراکندگی
      • روش اول: تطبیق با حل عددی در یک مدل معادل
      • روش دوم: روش ممان‌ها
    • معرفی سری شبیه‌سازی‌ها
  • نتایج و بحث
    • بررسی پراکندگی عددی
    • اعتبارسنجی با مدل تئوری پراکندگی تیلور
    • آنالیز حساسیت
    • اثر مدل معادل بر ضریب پراکندگی (‌شبیه‌سازی‌های سری یک)
    • رفتار سری دوم
    • اثر سرعت مدل معادل بر ضریب پراکندگی (شبیه‌سازی‌های سری دو)
    • اثر خلوص هیدروژن تزریقی بر ضریب پراکندگی (مقایسه‌ی سری یک و دو)
    • مقایسه‌ی ضریب پراکندگی شبیه‌سازی‌های سری دو، سه و چهار
    • اثر گرادیان چگالی (مقایسه‌ی شبیه‌سازی‌های سری دو و پنج)
      • آنالیز حساسیت
      • مقایسه‌ی رفتار شبیه‌سازی‌های سری دو و پنج
    • جمع‌بندی فصل
  • نتیجه‌گیری و پیشنهاد
    • نتایج
    • پیشنهادات
  • مراجع
  • رفتار شبیه‌سازی‌های سری دو
  • رفتار سری پنج
  • مقایسه‌ی رفتار شبیه‌سازی‌های سری یک و سری دو
  • مقایسه‌ی رفتار شبیه‌سازی‌های سری دو و پنج
  • منحنی‌های سرعت رشد ناحیه اختلاط بر حسب زمان
...see more