中等尺度空间低浓度氢气燃烧的数值研究

发布时间：2020-11-04 08:04

　　 在核电站发生严重事故的情况下,反应堆和乏燃料池中燃料芯块和包壳由于冷却不足导致其温度急剧升高,高温的锆合金包壳与冷却剂发生剧烈的化学反应,释放出氢气。由于产生的氢气量非常大,会在安全壳内、辅助厂房内以及局部隔间内形成可燃性混合气体,在点火源存在的情况下,会发生燃烧甚至爆炸,威胁设备和安全壳的安全,因此对氢气在中等大小空间内的燃烧规律进行研究具有重要意义。本文首先对目前氢气燃烧的现状进行了介绍,包括主流的氢气燃烧实验、氢气燃烧模拟计算的软件以及其针对实验的验证情况。然后对目前大空间的氢气燃烧理论知识进行了简要的介绍,主要包括氢气的层流火焰实验关系式、氢气湍流火焰关系式、湍流火焰的分区图、大空间氢气火焰加速的实验准则以及大空间火焰发生燃爆转变的实验准则。氢气燃烧的CFD模型是本文数值分析的基础,所以也对其进行了重要的介绍。燃烧计算模型的有效性是用于数值研究的前提,因此本文选用了被广泛使用的THAI-HD12和ENACCEF-RUN153实验作为对燃烧计算模型的验证实验。通过模拟结果和实验结果进行对比可以发现,模拟的压力变化、热量散失、火焰的传播形状、火焰的传播速度以及火焰加速现象等都能够与实验数据有较好的符合,这表明该燃烧模型能够针对中等尺度空间进行比较准确的计算。氢气的浓度和点火位置会对氢气的燃烧产生比较显著的影响,通过模拟分析发现,随着浓度的升高,燃烧的升压速率增加、峰值温升高、峰值压力升高、火焰传播速度增加。在高浓度下,在罐体中间点火能够增加燃烧速率,而在偏低浓度下,在罐体底部点火能增加燃烧速率,在较低浓度下,顶部点火容易导致火焰发生熄灭。障碍物对氢气燃烧有十分显著的影响,在同样的点火位置和浓度下,不同的障碍物布置会产生不同的燃烧现象。本文针对四种类型的障碍物布置进行了对比分析,分别是障碍物的尺寸、障碍物的数量、障碍物的布置位置、障碍物的不同形状。通过对比分析发现,随着障碍物阻塞率增加,火焰传播速度、升压速率增加;障碍物的数量非常低浓度氢气燃烧压力无影响,障碍物数量较少时对偏高浓度有影响,但是随着障碍物数量增加到一定数量,对燃烧无影响;障碍物布置越靠近中间位置,对燃烧越有影响;障碍物的形状逐渐变小,数量增加的过程中,会促进燃烧,接着会阻碍燃烧。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TM623.8
【部分图文】：

其作用机理十分复杂，过去几十年来一直是科学研究介绍重事故后，氢气一般会与空气发生混合，因此核电站中涉及到燃烧[26]为主。核电站发生严重事故后，随着事故进程的发展，下三个阶段，燃烧（Deflagration）、燃烧向爆炸转变（Deflag Transition 也即 DDT）以及爆炸[26]。火焰速度烧是燃烧中最简单的一种燃烧方式，层流燃烧过程中没有流动。层流燃烧火焰的结构主要包括四个不同的区域，分别是未、反应区域以及燃烧区域[27]。层流火焰传播速度是层流火焰最是燃烧模拟计算中的重要参数，对于相同给定的初始温度、压比，该速度的值相同。实验测得传播速度和浓度的关系结果

和梯度的建立需要时间过程，氢气的浓度非均匀程度受到氢气源速率、对流效率、安全壳设计等因素影响。故情况下氢气的分布受到了广泛的研究，基于全堆的 HDR-E1来模拟氢气的分布[26]，试验的结果包含了水蒸气、氢气的浓度分示，从图中可以看出试验得出的严重事故后的氢气浓度分布包速的区域，因此了解火焰加速的机理对研究氢气燃烧的规律和燃重要意义。目前建立了各种不同的火焰加速和爆轰转播规律，但是这些现象分复杂，目前的在机理方面的研究还非常有限，引起火焰加速的括层流火焰及其折叠效应[32][33][34]，湍流效应及其加速效应、激波-火焰相互作用等[35][36]，另外，浮升力对火焰传播的早期有重要大空间的爆炸。浮力影响的大小可以通过 Froude 数2uFrgL 来 数较小的时候，说明浮升力的影响较大

*(β)是临界膨胀率，Le 是 Lewis 数，β是 Zeldovich 数。目前主要利用该准则来判断火焰加速的可能性大小，图2-4是该准则和实验结果的对比。图 2-4 实验数据和 σ 准则的对比[26]Fig.2-4 comparison of experimental data and σ criteria[26]2.1.3 燃爆转变现象燃爆转变现象是氢气燃烧发展过程中最重要的现象，发生燃爆转变后会导致发生氢气爆炸，并产生强烈的冲击波，导致极为严重的后果。目前在光滑圆管和长通道的火焰传播实验[37][38]中都观察到了大量的燃烧向爆炸转变的现象（Deflagration to Detonation 也即 DDT）。从实验中观察发现导致发生 DDT 的原因可以分为两大类，第一类是通过障碍物的作用下，火焰不断加速最终导致发生DDT[39]，另一类是通过喷射点火的方式直接引发 DDT[40]。第二类是直接引发DDT 的方法，点火的初始能量需要足够大，引发强的激波，激波通过反射和聚焦导致周边混合气体受到压缩而产生自燃，进而引发 DDT。而第一种方法的 DDT主要是由于火焰不断加速所引起，在加速过程中，当存在壁面，凹陷空间等障碍物时
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本文编号：2869853