Weiterentwicklung der Wasserstoffverbrennungsmodellierung des

T. Brähler: Weiterentwicklung der Wasserstoffverbrennungsmodellierung des Lumped-Parameter-Codes COCOSYS
ISBN: 978-3-934951-35-8
Thimo Brähler
Weiterentwicklung
der Wasserstoffverbrennungsmodellierung
des Lumped-Paramter-Codes COCOSYS
Bochum 2014
LEE
Schriftenreihe des
Lehrstuhls Energiesysteme
und Energiewirtschaft
33
Kurzfassung
Kurzfassung
Für den Betrieb von Kernkraftwerken ist ein umfangreiches Wissen hinsichtlich der
Phänomene erforderlich, die während eines schweren Störfalls auftreten können. Bei
einem längerfristigen Ausfall der Kühlung kann sich Wasserstoff durch die Reaktion
des Dampfes mit den Materialien des Kerninventars bilden und ins Containment freigesetzt werden. Bei einer Zündung des Wasserstoff-Gemisches kann es durch die
Druckerhöhung während der Verbrennung zu einer Gefährdung der Containmentintegrität kommen.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Weiterentwicklung des Wasserstoffverbrennungsmodells FRONT, welches im Containment Code System (COCOSYS) implementiert ist. Die Simulationen mit diesem Modell zeigten eine deutliche Abhängigkeit
der Ergebnisgüte von den Eingabeparametern zur Berechnung des integralen Maßes
der Turbulenz und der Turbulenzintensität. Darüber hinaus wurde der gemessene
Ausbrand bei Wasserstoff-Luft-Gemischen in der Nähe der unteren Explosionsgrenzen unterschätzt, wodurch der berechnete Druck in der Versuchsanlage zu
gering war. Der Grund dafür ist, dass die Temperaturabhängigkeit der Brennbarkeitsgrenzen sowie des Ausbrands nicht berücksichtigt wurden.
Zur Verbesserung der Aussagefähigkeit des FRONT-Modells wurden die Brennbarkeitsgrenzen sowie der Ausbrand neu modelliert und die Methoden zur Berechnung
der Turbulenzparameter weiterentwickelt. Die Brennbarkeitsgrenzen und der Ausbrand wurden in Abhängigkeit der Temperatur und der Dampfkonzentration erweitert.
Unter Verwendung der neu modellierten Brennbarkeitsgrenzen bei der Zündung sowie bei der Propagation ergab sich, dass die Verbrennung in Bereichen ausblieb, in
denen sich die Flamme in der Versuchsanlage ausbreitete. Aus diesem Grund wurden die modellierten Kriterien für die Flammenausbreitung in Abhängigkeit des Ausbrands neu definiert. Zur Analyse des Potenzials der neu modellierten Propagationsgrenzen sowie der Methode zur Berechnung des Ausbrands wurden die Turbulenzparameter variiert. Die Simulationen zeigen, dass der Ausbrand und der Druckverlauf
mit unterschiedlichen Werten des integralen Maßes der Turbulenz sehr gut berechnet werden. Unter Anwendung derselben Eingabewerte mit den neu implementierten
Methoden zur Berechnung der Turbulenzparameter werden der Ausbrand und der
Druckverlauf in den Versuchen mit unterschiedlichen Randbedingungen gut bis sehr
gut wiedergegeben. Die Methoden zur Berechnung der Brennbarkeitsgrenzen, des
Ausbrands und der Turbulenzparameter konnten somit erfolgreich erweitert werden.
Mit den gewählten Ansätzen ist auch eine Erweiterung der Brennbarkeitsgrenzen
und des Ausbrands für andere Wasserstoff-Inertgas-Luft-Gemische möglich. Um die
Gültigkeit der neuen Methoden in Zukunft noch genauer zu überprüfen, sollten weitere Validierungsrechnungen anhand neuer, noch durchzuführender Experimente folgen.
Abstract
Abstract
The safe operation of nuclear power plants requires an extensive knowledge regarding to the phenomena, which can occur during a severe accident. Within a long-term
failure of the cooling system, hydrogen can be generated by the reaction of steam
with the materials of the core inventory and be released into the containment. An ignition of the hydrogen mixture can cause a pressure increase during combustion and
thereby endanger the containment integrity.
The aim of this work is the improvement of the hydrogen combustion model FRONT,
which is implemented in the containment code system (COCOSYS). In simulations
using this model a clear dependence of the quality of the results on the input parameters for the calculation of the integral scale of turbulence and the turbulence intensity
was pointed out. Furthermore, the burnout of hydrogen-air mixtures near to the lower
flammability limits is underestimated and thus the calculated pressures in the experimental facility were too low. The reason is that the temperature dependence of the
flammability limits and the burnout are not considered in the modeling.
To improve the capability of the FRONT-model for the estimation of the consequences of hydrogen combustion, the flammability limits, the burnout as well as the methods for calculating the turbulence parameters were developed further. The flammability limits and the burnout were extended by the influence of temperature and the
steam concentration. By using the new modeled flammability limits as criteria for ignition as well as for propagation, the simulated combustion stops in areas where the
flame spreads in the experimental facilities. Therefore, the modeled flame propagation criteria were redefined as a function of the burnout. In order to evaluate the potential of the newly modeled propagation limits and the method for calculating the
burnout, the turbulence parameters were varied during simulations. The results show
that the burnout and the pressure is very well estimated by using different values of
the integral scale of turbulence. By applying the same input values with the newly
implemented methods for calculating the turbulence parameters to experiments with
different boundary conditions, the pressure development and the burnout are reproduced well to very well. Thus, the methods for calculating the flammability limits, the
burnout and the turbulence parameters were successfully improved. With the chosen
approach, an upgrade of the flammability limits and the burnout for other hydrogenair-inert-gas mixtures is possible. For an advanced check of the new methods validity, further calculations have to be performed based on newly conducted experiments.
Inhaltsverzeichnis
I
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung............................................................................................................. 1 2 Stand von Wissenschaft und Technik ................................................................. 5 2.1 Ausbreitungsphänomene in brennbaren Gemischen ................................... 5 2.1.1 Deflagration und Detonation .................................................................. 6 2.1.2 Laminare und turbulente Flammenausbreitung ..................................... 9 2.1.3 Brennbarkeit von wasserstoffhaltigen Gasgemischen ......................... 23 2.2 Modellierung von Wasserstoffdeflagrationsprozessen ............................... 32 2.2.1 Eigenschaften der Simulationsprogramme .......................................... 33 2.2.2 Lumped-Paramater-Codes .................................................................. 36 2.2.3 CFD-Codes ......................................................................................... 45 3 Experimente und Simulationsmodelle ............................................................... 53 3.1 THAI HD ..................................................................................................... 53 3.2 BMC ........................................................................................................... 58 3.3 RUT ............................................................................................................ 60 4 Erweiterte Modellierung der Wasserstoffdeflagration in COCOSYS ................. 65 4.1 Brennbarkeitsgrenzen ................................................................................ 65 4.2 Ausbrand .................................................................................................... 77 4.3 Turbulenzmodellierung ............................................................................... 82 4.4 Übergeordnete Zusammenstellung der Modellierung................................. 88 5 Ergebnisse der Simulationen............................................................................. 93 5.1 Brennbarkeitsgrenzen und Ausbrand ......................................................... 93 5.2 Turbulenzmodellierung ............................................................................. 115 6 Zusammenfassung und Ausblick ..................................................................... 141 7 Literatur ........................................................................................................... 149