%A Jorge Ya?ez Escanciano
%T A model for turbulent combustion simulation of large scale hydrogen explosions
%X El agotamiento, la ausencia o, simplemente, la incertidumbre sobre la cantidad de las reservas de combustibles f?siles se a?aden a la variabilidad de los precios y a la creciente inestabilidad en la cadena de aprovisionamiento para crear fuertes incentivos para el desarrollo de fuentes y vectores energ?ticos alternativos. El atractivo de hidr?geno como vector energ?tico es muy alto en un contexto que abarca, adem?s, fuertes inquietudes por parte de la poblaci?n sobre la contaminaci?n y las emisiones de gases de efecto invernadero. Debido a su excelente impacto ambiental, la aceptaci?n p?blica del nuevo vector energ?tico depender?a, a priori, del control de los riesgos asociados su manipulaci?n y almacenamiento. Entre estos, la existencia de un innegable riesgo de explosi?n aparece como el principal inconveniente de este combustible alternativo. Esta tesis investiga la modelizaci?n num?rica de explosiones en grandes vol?menes, centr?ndose en la simulaci?n de la combusti?n turbulenta en grandes dominios de c?lculo en los que la resoluci?n que es alcanzable est? fuertemente limitada. En la introducci?n, se aborda una descripci?n general de los procesos de explosi?n. Se concluye que las restricciones en la resoluci?n de los c?lculos hacen necesario el modelado de los procesos de turbulencia y de combusti?n. Posteriormente, se realiza una revisi?n cr?tica de las metodolog?as disponibles tanto para turbulencia como para combusti?n, que se lleva a cabo se?alando las fortalezas, deficiencias e idoneidad de cada una de las metodolog?as. Como conclusi?n de esta investigaci?n, se obtiene que la ?nica estrategia viable para el modelado de la combusti?n, teniendo en cuenta las limitaciones existentes, es la utilizaci?n de una expresi?n que describa la velocidad de combusti?n turbulenta en funci?n de distintos par?metros. Este tipo de modelos se denominan Modelos de velocidad de llama turbulenta y permiten cerrar una ecuaci?n de balance para la variable de progreso de combusti?n. Como conclusi?n tambi?n se ha obtenido, que la soluci?n m?s adecuada para la simulaci?n de la turbulencia es la utilizaci?n de diferentes metodolog?as para la simulaci?n de la turbulencia, LES o RANS, en funci?n de la geometr?a y de las restricciones en la resoluci?n de cada problema particular. Sobre la base de estos hallazgos, el crea de un modelo de combusti?n en el marco de los modelos de velocidad de la llama turbulenta. La metodolog?a propuesta es capaz de superar las deficiencias existentes en los modelos disponibles para aquellos problemas en los que se precisa realizar c?lculos con una resoluci?n moderada o baja. Particularmente, el modelo utiliza un algoritmo heur?stico para impedir el crecimiento del espesor de la llama, una deficiencia que lastraba el c?lebre modelo de Zimont. Bajo este enfoque, el ?nfasis del an?lisis se centra en la determinaci?n de la velocidad de combusti?n, tanto laminar como turbulenta. La velocidad de combusti?n laminar se determina a trav?s de una nueva formulaci?n capaz de tener en cuenta la influencia simult?nea en la velocidad de combusti?n laminar de la relaci?n de equivalencia, la temperatura, la presi?n y la diluci?n con vapor de agua. La formulaci?n obtenida es v?lida para un dominio de temperaturas, presiones y diluci?n con vapor de agua m?s extenso de cualquiera de las formulaciones previamente disponibles. Por otra parte, el c?lculo de la velocidad de combusti?n turbulenta puede ser abordado mediante el uso de correlaciones que permiten el la determinaci?n de esta magnitud en funci?n de distintos par?metros. Con el objetivo de seleccionar la formulaci?n m?s adecuada, se ha realizado una comparaci?n entre los resultados obtenidos con diversas expresiones y los resultados obtenidos en los experimentos. Se concluye que la ecuaci?n debida a Schmidt es la m?s adecuada teniendo en cuenta las condiciones del estudio. A continuaci?n, se analiza la importancia de las inestabilidades de la llama en la propagaci?n de los frentes de combusti?n. Su relevancia resulta significativa para mezclas pobres en combustible en las que la intensidad de la turbulencia permanece moderada. Estas condiciones son importantes dado que son habituales en los accidentes que ocurren en las centrales nucleares. Por ello, se lleva a cabo la creaci?n de un modelo que permita estimar el efecto de las inestabilidades, y en concreto de la inestabilidad ac?stica-param?trica, en la velocidad de propagaci?n de llama. El modelado incluye la derivaci?n matem?tica de la formulaci?n heur?stica de Bauwebs et al. para el c?lculo de la incremento de la velocidad de combusti?n debido a las inestabilidades de la llama, as? como el an?lisis de la estabilidad de las llamas con respecto a una perturbaci?n c?clica. Por ?ltimo, los resultados se combinan para concluir el modelado de la inestabilidad ac?stica-param?trica. Tras finalizar esta fase, la investigaci?n se centro en la aplicaci?n del modelo desarrollado en varios problemas de importancia para la seguridad industrial y el posterior an?lisis de los resultados y la comparaci?n de los mismos con los datos experimentales correspondientes. Concretamente, se abordo la simulaci?n de explosiones en t?neles y en contenedores, con y sin gradiente de concentraci?n y ventilaci?n. Como resultados generales, se logra validar el modelo confirmando su idoneidad para estos problemas. Como ?ltima tarea, se ha realizado un analisis en profundidad de la cat?strofe de Fukushima-Daiichi. El objetivo del an?lisis es determinar la cantidad de hidr?geno que explot? en el reactor n?mero uno, en contraste con los otros estudios sobre el tema que se han centrado en la determinaci?n de la cantidad de hidr?geno generado durante el accidente. Como resultado de la investigaci?n, se determin? que la cantidad m?s probable de hidrogeno que fue consumida durante la explosi?n fue de 130 kg. Es un hecho notable el que la combusti?n de una relativamente peque?a cantidad de hidrogeno pueda causar un da?o tan significativo. Esta es una muestra de la importancia de este tipo de investigaciones. Las ramas de la industria para las que el modelo desarrollado ser? de inter?s abarca la totalidad de la futura econom?a de hidr?geno (pilas de combustible, veh?culos, almacenamiento energ?tico, etc) con un impacto especial en los sectores del transporte y la energ?a nuclear, tanto para las tecnolog?as de fisi?n y fusi?n. ABSTRACT The exhaustion, absolute absence or simply the uncertainty on the amount of the reserves of fossil fuels sources added to the variability of their prices and the increasing instability and difficulties on the supply chain are strong incentives for the development of alternative energy sources and carriers. The attractiveness of hydrogen in a context that additionally comprehends concerns on pollution and emissions is very high. Due to its excellent environmental impact, the public acceptance of the new energetic vector will depend on the risk associated to its handling and storage. Fromthese, the danger of a severe explosion appears as the major drawback of this alternative fuel. This thesis investigates the numerical modeling of large scale explosions, focusing on the simulation of turbulent combustion in large domains where the resolution achievable is forcefully limited. In the introduction, a general description of explosion process is undertaken. It is concluded that the restrictions of resolution makes necessary the modeling of the turbulence and combustion processes. Subsequently, a critical review of the available methodologies for both turbulence and combustion is carried out pointing out their strengths and deficiencies. As a conclusion of this investigation, it appears clear that the only viable methodology for combustion modeling is the utilization of an expression for the turbulent burning velocity to close a balance equation for the combustion progress variable, a model of the Turbulent flame velocity kind. Also, that depending on the particular resolution restriction of each problem and on its geometry the utilization of different simulation methodologies, LES or RANS, is the most adequate solution for modeling the turbulence. Based on these findings, the candidate undertakes the creation of a combustion model in the framework of turbulent flame speed methodology which is able to overcome the deficiencies of the available ones for low resolution problems. Particularly, the model utilizes a heuristic algorithm to maintain the thickness of the flame brush under control, a serious deficiency of the Zimont model. Under the approach utilized by the candidate, the emphasis of the analysis lays on the accurate determination of the burning velocity, both laminar and turbulent. On one side, the laminar burning velocity is determined through a newly developed correlation which is able to describe the simultaneous influence of the equivalence ratio, temperature, steam dilution and pressure on the laminar burning velocity. The formulation obtained is valid for a larger domain of temperature, steam dilution and pressure than any of the previously available formulations. On the other side, a certain number of turbulent burning velocity correlations are available in the literature. For the selection of the most suitable, they have been compared with experiments and ranked, with the outcome that the formulation due to Schmidt was the most adequate for the conditions studied. Subsequently, the role of the flame instabilities on the development of explosions is assessed. Their significance appears to be of importance for lean mixtures in which the turbulence intensity remains moderate. These are important conditions which are typical for accidents on Nuclear Power Plants. Therefore, the creation of a model to account for the instabilities, and concretely, the acoustic parametric instability is undertaken. This encloses the mathematical derivation of the heuristic formulation of Bauwebs et al. for the calculation of the burning velocity enhancement due to flame instabilities as well as the analysis of the stability of flames with respect to a cyclic velocity perturbation. The results are combined to build a model of the acoustic-parametric instability. The following task in this research has been to apply the model developed to several problems significant for the industrial safety and the subsequent analysis of the results and comparison with the corresponding experimental data was performed. As a part of such task simulations of explosions in a tunnel and explosions in large containers, with and without gradient of concentration and venting have been carried out. As a general outcome, the validation of the model is achieved, confirming its suitability for the problems addressed. As a last and final undertaking, a thorough study of the Fukushima-Daiichi catastrophe has been carried out. The analysis performed aims at the determination of the amount of hydrogen participating on the explosion that happened in the reactor one, in contrast with other analysis centered on the amount of hydrogen generated during the accident. As an outcome of the research, it was determined that the most probable amount of hydrogen exploding during the catastrophe was 130 kg. It is remarkable that the combustion of such a small quantity of material can cause tremendous damage. This is an indication of the importance of these types of investigations. The industrial branches that can benefit from the applications of the model developed in this thesis include the whole future hydrogen economy, as well as nuclear safety both in fusion and fission technology.
%D 2015
%I Telecomunicacion
%L upm38380