安全殼內氫氣燃燒特性數值研究

李詠蔚，元一單，楊小明

安全殼內氫氣燃燒特性數值研究

李詠蔚，元一單，楊小明

（中國核電工程有限公司，北京 100084）

本文基于計算流體力學（CFD）方法，采用渦耗散概念（EDC）模型耦合P1輻射模型，對德國開展的ThAI-HD12氫氣燃燒實驗進行了數值模擬驗證，與實驗符合良好。同時通過修正反應機理，獲得了更符合實驗的結果。通過改變點火位置、氫氣濃度，計算得到安全殼內壓力、溫度等的變化，結果表明：在安全殼空間內，浮力對氫氣燃燒火焰傳播影響顯著；氫氣濃度越高，點火越快，燃燒速率越快，但濃度升高到一定程度，點火不再提前。安全殼內氫氣燃燒火焰受多種因素作用，最終呈現了“郁金香形狀火焰”。

CFD；EDC模型；氫氣燃燒

在核電廠嚴重事故中，泄漏至安全殼內的氫氣可能會發生燃燒甚至爆炸，對安全殼的完整性與功能造成損害，美國三哩島事故就是一個典型的例子。可見，對于安全殼內氫氣燃燒機理及特性的研究十分必要，但嚴重事故下氫氣燃燒的具體數據難以獲得，而且實驗成本及風險都較高，采用數值模擬的方法進行研究便成為了一個重要的手段。

目前主流數值模擬多采用以集總參數（LP）法為主，結合燃爆準則等對氫氣燃燒風險進行判斷，在細節部分輔以CFD方法加以分析。本文采用CFD方法，基于EDC模型耦合P1模型，用德國開展的ThAI-HD12氫氣燃燒風險實驗對模型進行了驗證及修正，結果符合良好。同時通過改變點火位置、氫氣濃度，得到了多種工況下安全殼內壓力、溫度變化，對氫氣燃燒機理特性進行了分析，并計算得到了火焰傳播云圖。

1 數值模擬

1.1 控制方程

可用N-S方程對氫氣擴散及燃燒過程中的流動情況進行描述：

其主要包括質量守恒、動量守恒、能量守恒三個方程。

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

其中：

eff——有效導熱系數；

h——生成熱；

1.2 湍流模型

常用的標準-模型，表示湍流脈動動能，表示湍流脈動動能耗散率，湍流動能方程和擴散方程如下：

其中：

k——因層流速度梯度而產生的湍流動能；

b——因浮力而產生的湍流動能；

M——可壓縮流動中擴散產生的波動；

1.3 燃燒模型

本文采用EDC模型模擬氫氣燃燒過程，EDC模型在考慮湍流流動的同時考慮Arrhenius化學反應動力學，耦合詳細的氫氣燃燒反應機理，更能詳實反映燃燒的過程。由于本文主要關注安全殼內溫度、壓力的變化，氫氣燃燒反應機理采用總包反應機理[2]。

1.4 實驗裝置

本文對德國ThAI氫氣燃燒實驗裝置[3]進行了建模與模擬，實驗裝置如圖1所示，裝置最大直徑約3.2 m，高約9.2 m。

ThAI實驗的實驗條件如表1所示。

表1　ThAI實驗條件

圖1 ThAI實驗裝置

2 結果分析

2.1 模型驗證

本文基于ANSYS FLUENT軟件進行數值模擬，使用ANSYS ICEM軟件，以ThAI裝置的實際尺寸1:1建模，采用非結構化網格劃分，對壁面邊界層網格進行了加密。

考慮到安全殼內氫氣燃燒過程及機理較為復雜，需要同時考慮湍流流動和詳細的化學反應過程，且燃燒后升溫很高，輻射換熱對壓力、溫度影響較重要，在幾種模型的對比驗證之后，本文采用EDC模型和P1模型進行后續計算，同時通過大量計算不同網格的網格敏感性，最終選擇100 mm的網格進行后續計算[4]，結果如圖2所示。

從上圖可以看出，實驗測得最大相對壓力（相對初始壓力150 kPa，后文同）約345 kPa，最高溫度約1 000 K，計算所得最大相對壓力約385 kPa，最高溫度約1 050 K。由于實驗中氫氣一般無法燃燒完全，并且實驗裝置的各種構件會吸收一部分熱量，導致實際升溫升壓較模擬計算結果均較低，在誤差允許范圍內，計算結果與實驗結果符合良好。

從圖2中也可以看出，模擬計算相較于實驗更早發生點火，且升溫升壓速度快很多，主要有以下原因：實驗中采用熱電偶、壓力傳感器進行測溫測壓，有一定的響應時間，產生了一定的延遲，測得升溫升壓速度較模擬結果更慢；實驗中水蒸氣會影響換熱過程及反應速率，但模擬計算中水蒸氣冷凝量較小，同時也無法反映出對化學反應的影響，與實際過程有所差異。

圖2 模擬結果與實驗結果對比

本文采用的EDC模型結合了詳細的氫氣燃燒反應機理，反應機理默認指前因子、活化能等參數與實驗中實際情況有所差異，對反應速率影響較大，需對參數或機理進行修正。

總體來說，EDC燃燒模型耦合了總包反應，模擬結果與實驗過程中壓力、溫度等變化情況符合較好。

2.2 反應機理修正

EDC模型耦合了詳細的氫氣燃燒反應機理，該機理對于燃燒過程十分重要，決定了氫氣燃燒反應速度、壓力、溫度、火焰傳播等。對于本文采用的總包反應機理，比較重要的參數是指前因子和活化能，其直接對點火情況和反應速率產生影響[2]。

目前有多種氫氣燃燒反應機理，如Wartnatz、Jones、GRI機理等，這些機理主要是根據實驗獲得經驗參數。本文選擇了幾種機理，同時不斷調整指前因子和活化能兩個參數，最終選擇一組與實驗符合較好的參數，如圖3所示。

圖3 參數修正后結果

修正反應機理參數后，溫度壓力的變化與實驗結果吻合的更好，能更真實的反映出點火情況，但受到所選反應機理的限制，燃燒速率仍和實驗有一定誤差，想要更加符合實驗結果，需要考慮更加詳細的反應機理。

2.3 點火位置的影響

該部分對安全殼中不同位置點火后的氫氣燃燒情況進行了研究，分別在安全殼底部、中部、頂部進行點火，計算得到壓力、溫度的變化情況，如圖4所示。

從圖4可以看出，中部點火的壓力和溫度最先達到穩定，其次是底部、最后是頂部，這反映出了浮力對于氫氣燃燒火焰傳播速度的影響。中部點火，火焰可以向上下兩個方向同時傳播，升溫升壓最快，而底部點火后升溫升壓比頂部點火更快，說明底部點火的火焰傳播在浮力作用下更快，而頂部點火的火焰傳播受到了浮力的阻礙，火焰傳播速度受到浮力的影響較大。在后續的模擬中還發現，如果氫氣濃度較低，頂部點火甚至可能會熄滅。由此可以得出，對于氫氣燃燒的過程，如果空間尺度足夠大，需要考慮浮力的影響。

圖4 點火位置的影響

此外，溫度測點設置在安全殼中部，可以看到中部點火點附近的溫度在點火后瞬間升高，然后迅速下降，這是因為點火后該處氫氣濃度過低抑制了燃燒，周圍低溫氣體回流冷卻降溫，也可以看出氫氣緩解措施之一的點火器是有作用的，在氫氣濃度不高的時候點火可以有效降低氫氣濃度而不會造成持續的高溫高壓。

2.4 氫氣濃度的影響

該部分研究了氫氣濃度對于氫氣燃燒過程的影響，分別設置了氫氣初始體積分數為6%、8%、10%、12%的四種工況，與空氣預混后在底部點燃，計算得到壓力、溫度的變化情況，如下圖。

從圖5中可以看出，點火的情況、升溫升壓情況與氫氣濃度相關，低氫氣濃度下，濃度越高，點火越快，同時，升溫升壓速率越快，而當濃度達到一定程度之后，點火不再提前。同時，氫氣濃度越高，總能量越高，燃燒產生的最高壓力和溫度也越高。

為了探究燃燒是否完全，對于四種不同氫氣濃度的工況，計算得到的氫氣濃度變化如圖 6所示。

圖5 氫氣濃度的影響

圖6 氫氣濃度變化

由圖6可以看出，在四種工況下氫氣燃盡率皆為100%，而實驗中氫氣體積濃度6%時很可能不會完全燃燒，這種差異出現的原因主要在于燃燒模型原理上，模型假定化學反應都發生在小渦結構中，一旦開始燃燒會持續到渦完全耗散或反應物消耗完全。

2.5 火焰傳播情況

下圖是分別是點火后0.5 s、0.7 s、1.0 s、1.4 s時刻的火焰傳播圖。

圖7 火焰傳播圖

由圖可以看出，點火之后，受到浮力、管壁限制等因素，火焰由球形轉變成指形，再轉變成蘑菇形，火焰表面積不斷增加。之后，一方面由于火焰與壁面接觸處產生了局部的小型湍流，對于低濃度氫氣的燃燒，火焰傳播速度小，而這些局部的湍流不斷使管壁處發生火焰加速，率先燃燒[5]；另一方面由于火焰前峰面的反射壓縮波不斷增強，會使前峰面變平甚至凹陷，呈反弓形狀，因而形成了典型的“郁金香形狀火焰”[6]。

3　結論

本文基于EDC燃燒模型，對ThAI氫氣燃燒風險實驗進行了模擬驗證，獲得了壓力、溫度、氫氣濃度等變化情況，并對氫氣燃燒機理及特性進行了分析。主要結論如下：

（1）修正氫氣燃燒反應機理參數后的EDC模型可以較好的模擬氫氣點火、燃燒的情況，與實驗結果符合良好，但仍受到反應機理的限制。

（2）空間尺度足夠大時，浮力對于氫氣燃燒火焰傳播的影響顯著。

（3）不同濃度氫氣燃燒的最終溫度、壓力隨濃度的升高而升高；低氫氣濃度下，氫氣濃度對于點火快慢影響顯著，濃度越高，點火越快，同時升溫升壓速率也越快，但當氫氣濃度達到一定程度，點火不再提前。

（4）安全殼內低濃度氫氣燃燒火焰的傳播受到浮力、壓力波、局部湍流等多種因素影響，最終會出現典型的“郁金香形狀火焰”。

［1］ 王明濤．中厚板射流沖擊冷卻有限元模擬［D］．遼寧科技大學，2012.

［2］ 朱勇輝，王迎，李勇，等．核電廠嚴重事故下氫氣燃燒單步模型研究［J］．核動力工程，2019，40（3）：93-96.

［3］ Kotchourko A，Bentaib A，Fischer K，et al．International standard problem on hydrogen deflagration（ISP-49）［R］．Final report，2011.

［4］ 李詠蔚，元一單，楊小明．氫氣燃燒機理模型對比分析研究［J］．中國科技成果，2021，22（1）：35-37，44.

［5］ 路長，李毅，潘榮錕．管道氫氣-空氣預混氣體爆炸特征的試驗研究［J］．安全與環境學報，2016，16（3）：38-42.

［6］ 李書明，張旭龍，程關兵．氫氣-空氣預混火焰傳播特性的數值模擬研究［J］．裝備制造技術，2013（11）：23-26.

Numerical Study on Combustion Characteristics of Hydrogen in the Containment

LI Yongwei，YUAN Yidan，YANG Xiaoming

（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd，Beijing 100084，China）

Based on computational fluid dynamics (CFD) method, eddy dissipation concept (EDC) model coupled with the P1 radiation model is used to simulate the ThAI-HD12 hydrogen combustion experiment carried out in Germany, which is in good agreement with the experiment. In addition, by modifying the reaction mechanism, the results match better. By changing the ignition position and hydrogen concentration, the changes of pressure and temperature in the containment are calculated. The results show that buoyancy has a significant impact on the propagation of hydrogen combustion flame in the containment；the higher the hydrogen concentration is, the faster the ignition is, and the faster the combustion rate is. But when the concentration increases to a certain extent, the ignition is no longer advanced. The hydrogen combustion flame in the containment is affected by many factors, and finally presents a “tulip shaped flame”.

CFD；EDC model；Hydrogen combustion

TL48

A

0258-0918（2022）01-0106-06

2021-01-19

國家重點研發計劃（編號：2019YFB1900700）

李詠蔚（1995—），男，遼寧省阜新人，碩士研究生，現主要從事氫氣燃爆風險方面研究