Μοντελοποίηση τυρβώδους καύσης με τη μεθοδολογία της υπολογιστικής μηχανικής και εφαρμογή σε θέματα ασφάλειας τεχνολογιών υδρογόνου

Abstract

The general framework of the Doctoral Thesis is the numerical modelling of gaseous fuels combustion, such as hydrogen combustion, in order to create a tool that can be used for safety assessment of accidents associated with the release of flammable gases in open and closed spaces. This tool will contribute to the design of the appropriate safety measures in order to minimize the consequences of an accident. Research on the use of hydrogen as an alternative fuel has been increased significantly over the past few years because hydrogen can contribute to the solution of the energy problem and to the mitigation of the climate change. It has high heat of combustion value per unit mass and it is an environmental friendly fuel because the only product of its combustion is water. Despite the many advantages that hydrogen presents as an energy carrier, it has the disadvantage of being a highly flammable gas with a wide range of flammability limits. As a result, in the case of an accident, hydrogen can escape to the atmosphere, mix with air and lead to a violent explosion (deflagration). Deflagration is a complex process because it involves a wide range of physical phenomena. The difficulty in its modelling lays in the fact that these phenomena occur at different spatial and temporal scales, which may vary in size between several orders of magnitude. Turbulence, which exists in most fluid mechanics problems, is a phenomenon of great complexity, and its interaction with combustion makes the study of explosion a complex task. In order to study and simulate the deflagration phenomenon, the Computational Fluid Dynamics (CFD) methodology is used. CFD is an attractive methodology of high accuracy which numerically solves the differential equations of fluid mechanics. The in-house CFD code ADREA-HF is utilized. ADREA-HF has been used successfully in the past in gas release and dispersion simulations in complex geometries. During this Thesis, ADREA-HF capabilities were extended so that it can simulate turbulent combustion, focusing on the deflagration modelling. The basic combustion model used and implemented in the code is a new and promising model that has been developed recently. Some of the objectives of this Thesis were to evaluate it, to identify its drawbacks and limits and to further develop it. This model takes into account most of the physical phenomena which occurs in the deflagration process and the parameters that control them. These are the chemistry, the turbulence existing in front of the flame front, the turbulence generated by the flame front itself, the thermal-diffusion instability and the fractal nature of the flame surface in large scale deflagrations. For turbulence, the Large Eddy Simulation (LES) method was mainly used which is considered as a very promising and accurate technique. The RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) method was also used and evaluated. Initially, before the study of complex scenarios of real interest, verification of the overall methodology was performed. One-dimensional deflagration in a semi-open channel and three-dimensional deflagration in a completely closed space were simulated. The theoretical solutions of these problems were accurately predicted. As a result, the verification of the methodology was successful. Then, three-dimensional simulations of deflagration experiments were conducted. For the complete evaluation of the methodology, the cases examined cover a wide range of spatial scales and phenomena. In all simulations, the effect on the results of various parameters of the combustion model was examined and the comparison of the LES and RANS methods were made. At first, deflagration simulation was performed in a small scale channel with obstacles. The modelling of the thermo-diffusive instability was evaluated and a new value of the critical radius of transition to the instability was proposed, which led to a better agreement with the experiment. Then, the methodology was evaluated against a large scale deflagration. One of the largest hydrogen deflagration experiments ever conducted was simulated for that purpose. The fractal sub-model was evaluated and different combustion models were examined. Deflagration in a model of tunnel was simulated next. Two scenarios were examined, one with a completely empty tunnel and one with obstacles inside it. In all simulations the agreement with the experiment was very good. The last simulation concerns the deflagration of homogeneous hydrogen-air mixture in a closed medium-scale enclosure with an opening (vented deflagration). Vented deflagrations are of great importance both from a practical point of view and because of the complexity of the phenomenon. External explosion which usually appears in this kind of deflagrations leads to a sharp increase in pressure and is difficult to be modelled. The combustion model predicted successfully the phenomenon until the point where the flame exits the opening, but failed to predict properly the external explosion. For this reason, two innovative modifications of the combustion model were developed and examined. The first modification concerns the way that the turbulent characteristic velocity is estimated. The new approach was applied for the first time in cases like the examined one and led to better agreement with the experiment. The second modification concerns the way that the modelling of the various phenomena contributes to the estimation of the turbulent burning velocity. This modification improved significantly the model’s predictions. The external explosion was successfully predicted, resulting in very good qualitatively and quantitatively agreement with the experiment. To sum up, the main purpose of the thesis, which was the development, implementation and evaluation of a mathematical combustion model, suitable for a wide range of deflagration cases, was fulfilled.

Το αντικείμενο της Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη υπολογιστικής μεθοδολογίας για τη μελέτη της καύσης αερίων καυσίμων, όπως το υδρογόνο, με στόχο τη δημιουργία ενός εργαλείου που θα προβλέπει τον βαθμό επικινδυνότητας ατυχημάτων που σχετίζονται με έκλυση εύφλεκτων αερίων σε ανοιχτούς και κλειστούς χώρους. Το εργαλείο αυτό θα επιτρέψει τον αποτελεσματικότερο σχεδιασμό των εγκαταστάσεων και τη λήψη των καταλλήλων μέτρων ασφαλείας που θα ελαχιστοποιούν τις επιπτώσεις σε περίπτωση ατυχήματος. Η έρευνα για τη χρήση του υδρογόνου ως εναλλακτικό καύσιμο έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια, αφού θεωρείται ότι μπορεί να συνεισφέρει στην αντιμετώπιση του ενεργειακού προβλήματος και της κλιματικής αλλαγής. Έχει μεγάλη θερμογόνο δύναμη ανά μονάδα μάζας, ενώ το μοναδικό προϊόν της καύσης του είναι το νερό, πράγμα που το καθιστά ιδιαίτερα φιλικό προς το περιβάλλον. Παρά τα πολλά πλεονεκτήματα που παρουσιάζει ως φορέας ενέργειας, έχει το μειονέκτημα ότι είναι ένα πολύ εύφλεκτο αέριο με μεγάλο εύρος ορίων αναφλεξιμότητας, που σημαίνει ότι σε περίπτωση διαρροής και ανάμειξης με τον αέρα μπορεί να οδηγήσει σε βίαιη έκρηξη. Η έκρηξη αέριου μείγματος είναι μια περίπλοκη διεργασία η οποία περιλαμβάνει μεγάλο πλήθος φυσικών φαινομένων. Η δυσκολία στη μελέτη και μοντελοποίηση της έγκειται στο γεγονός ότι εμπεριέχει πολλά φαινόμενα τα οποία λαμβάνουν χώρα σε διαφορετικές χωρικές και χρονικές κλίμακες, οι οποίες μπορεί να διαφέρουν μεταξύ τους πολλές τάξεις μεγέθους. Η τύρβη, η οποία αναπτύσσεται στα περισσότερα προβλήματα της μηχανικής των ρευστών, είναι από μόνη της ένα φαινόμενο μεγάλης πολυπλοκότητας και η συνύπαρξή της με την καύση κάνει τη μελέτη της έκρηξης πολυσύνθετη. Για την μελέτη και την προσομοίωση του φαινομένου της έκρηξης αέριου μείγματος με σκοπό τη βελτίωση της ικανότητας πρόβλεψης των συνεπειών της, χρησιμοποιήθηκε η μεθοδολογία της υπολογιστικής ρευστομηχανικής (Computational Fluid Dynamics, CFD). Πρόκειται για μια μέθοδο μεγάλης ακρίβειας, στην οποία επιλύονται αριθμητικά οι βασικές εξισώσεις που διέπουν τη μηχανική των ρευστών. Χρησιμοποιήθηκε ο εργαστηριακός CFD κώδικας ADREA-HF, ο οποίος έχει εφαρμοστεί εκτεταμένα στο παρελθόν σε προσομοιώσεις διασποράς αερίων, και ειδικά υδρογόνου, σε σύνθετες γεωμετρίες. Στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής ο κώδικας επεκτάθηκε έτσι ώστε να μπορεί να προσομοιώνει περιπτώσεις οι οποίες εμπλέκουν καύση, δίνοντας έμφαση στο φαινόμενο της τυρβώδους έκρηξης προαναμεμειγμένου μείγματος καυσίμου-αέρα.Το βασικό μοντέλο καύσης το οποίο χρησιμοποιήθηκε και υλοποιήθηκε στον κώδικα, είναι ένα καινούργιο και πολλά υποσχόμενο μοντέλο το οποίο εμφανίστηκε πρόσφατα στη βιβλιογραφία. Στόχοι της παρούσας διατριβής ήταν η αξιολόγηση του, ο εντοπισμός των αδυναμιών του και η βελτίωσή του. Το μοντέλο αυτό λαμβάνει υπ’ όψιν του τα περισσότερα φυσικά φαινόμενα τα οποία παρατηρούνται σε μια έκρηξη αέριου μείγματος και τις παραμέτρους που την ελέγχουν. Αυτά είναι η χημεία της αντίδρασης, η τύρβη η οποία βρίσκεται μπροστά από το μέτωπο της φλόγας, η τύρβη η οποία αναπτύσσεται από το ίδιο το μέτωπο, η αστάθεια θερμοδιάχυσης και τέλος η φράκταλ γεωμετρία της επιφάνειας της φλόγας σε εκρήξεις μεγάλης κλίμακας. Για τη διαχείριση της τύρβης χρησιμοποιήθηκε πρωτίστως η μέθοδος των μεγάλων δινών (LES), η χρήση της οποίας επεκτείνεται συνεχώς τα τελευταία χρόνια λόγω της αυξημένης της ακρίβειας, ενώ εξετάστηκε και η μέθοδος RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes). Αρχικά, πριν γίνει η μελέτη περίπλοκων σεναρίων, έγινε μοντελοποίηση έκρηξης σε απλές περιπτώσεις έτσι ώστε να επιβεβαιωθεί η ορθότητά της συνολικής μεθοδολογίας. Προσομοιώθηκαν οι περιπτώσεις της μονοδιάστατης έκρηξης σε ευθύγραμμο ημι-ανοιχτό κανάλι και της τριδιάστατης έκρηξης σε τελείως κλειστό χώρο. Από τις προσομοιώσεις αυτές συμπεραίνεται η ορθότητα της μεθοδολογίας, καθώς αναπαράχθηκαν με ακρίβεια οι θεωρητικές λύσεις των προβλημάτων. Στην συνέχεια έγιναν τριδιάστατες προσομοιώσεις περιπτώσεων στις οποίες υπάρχουν διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα. Οι περιπτώσεις που εξετάστηκαν καλύπτουν ένα εύρος διαφορετικών χωρικών κλιμάκων και φαινομένων έτσι ώστε η αξιολόγηση της μεθοδολογίας να είναι όσο το δυνατόν πληρέστερη. Σε όλες τις προσομοιώσεις εξετάστηκε η επίδραση στα αποτελέσματα διάφορων παραμέτρων του μοντέλου καύσης ενώ έγινε και σύγκριση των μεθόδων LES και RANS. Αρχικά έγινε προσομοίωση έκρηξης σε ημι-ανοιχτό αγωγό μικρής κλίμακας παρουσίας εμποδίων. Σε αυτή την περίπτωση αξιολογήθηκε η μοντελοποίηση της αστάθειας θερμοδιάχυσης και προτάθηκε μια διαφορετική τιμή της κρίσιμης ακτίνας μετάβασης στην αστάθεια αυτή, η οποία οδήγησε σε καλύτερη συμφωνία με το πείραμα. Στη συνέχεια η μεθοδολογία αξιολογήθηκε σε εκρήξεις μεγάλης κλίμακας, καθώς έγινε προσομοίωση ενός από τα μεγαλύτερα πειράματα έκρηξης μείγματος υδρογόνου-αέρα που έχουν πραγματοποιηθεί. Ιδιαίτερη σημασία δόθηκε στο υπομοντέλο φράκταλ, ενώ εξετάστηκαν και διαφορετικά μοντέλα καύσης. Στη συνέχεια εξετάστηκε το σενάριο έκρηξης σε μοντέλο σήραγγας παρουσίας και μη εμποδίων. Σε όλες τις προσομοιώσεις η συμφωνία με το πείραμα ήταν πολύ καλή. Το τελευταίο σενάριο που εξετάστηκε αφορά την έκρηξη ομογενούς μείγματος υδρογόνου-αέρα σε κλειστό δοχείο μεσαίας κλίμακας με άνοιγμα για την εκτόνωση της πίεσης. Οι εκρήξεις τέτοιου είδους έχουν μεγάλη σημασία τόσο από πρακτική άποψη όσο και λόγω της πολυπλοκότητας του φαινομένου. Η δυσκολία της μοντελοποίησης έγκειται κυρίως στο φαινόμενο της εξωτερικής έκρηξης, η οποία λόγω της βιαιότητάς της οδηγεί στην απότομη αύξηση της πίεσης. Το αρχικό μοντέλο καύσης, προέβλεψε επιτυχώς το φαινόμενο μέχρι το σημείο που η φλόγα φεύγει από το άνοιγμα, απέτυχε όμως να προβλέψει σωστά την εξωτερική έκρηξη. Για αυτό το λόγο, προτάθηκαν και δοκιμάστηκαν δύο καινοτόμες παραλλαγές του μοντέλου καύσης. Η πρώτη παραλλαγή, έχει να κάνει με τον τρόπο υπολογισμού της χαρακτηριστικής ταχύτητας τύρβης, ο οποίος εφαρμόστηκε για πρώτη φορά σε περιπτώσεις σαν την εξεταζόμενη και οδήγησε στην καλύτερη συμφωνία με το πείραμα. Η δεύτερη παραλλαγή, έχει να κάνει με τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται οι παράγοντες που συμμετέχουν στον υπολογισμό του ρυθμού καύσης και οι οποίοι μοντελοποιούν τα διάφορα φαινόμενα. Η αλλαγή αυτή, βελτίωσε εντυπωσιακά το μοντέλο καθώς η εξωτερική έκρηξη προβλέφθηκε επιτυχώς, με αποτέλεσμα η συνολική συμφωνία με τον πείραμα να είναι πάρα πολύ καλή τόσο ποιοτικά όσο και ποσοτικά. Συνοψίζοντας, θεωρείται ότι ο κύριος σκοπός της διατριβής που ήταν η ανάπτυξη, υλοποίηση και αξιολόγηση ενός μαθηματικού μοντέλου καύσης, κατάλληλο για ένα μεγάλο εύρος περιπτώσεων έκρηξης προαναμεμειγμένου μείγματος καυσίμου-αέρα, εκπληρώθηκε.