安全壳内氢气燃烧特性数值研究

李咏蔚，元一单，杨小明

安全壳内氢气燃烧特性数值研究

李咏蔚，元一单，杨小明

（中国核电工程有限公司，北京 100084）

本文基于计算流体力学（CFD）方法，采用涡耗散概念（EDC）模型耦合P1辐射模型，对德国开展的ThAI-HD12氢气燃烧实验进行了数值模拟验证，与实验符合良好。同时通过修正反应机理，获得了更符合实验的结果。通过改变点火位置、氢气浓度，计算得到安全壳内压力、温度等的变化，结果表明：在安全壳空间内，浮力对氢气燃烧火焰传播影响显著；氢气浓度越高，点火越快，燃烧速率越快，但浓度升高到一定程度，点火不再提前。安全壳内氢气燃烧火焰受多种因素作用，最终呈现了“郁金香形状火焰”。

CFD；EDC模型；氢气燃烧

在核电厂严重事故中，泄漏至安全壳内的氢气可能会发生燃烧甚至爆炸，对安全壳的完整性与功能造成损害，美国三哩岛事故就是一个典型的例子。可见，对于安全壳内氢气燃烧机理及特性的研究十分必要，但严重事故下氢气燃烧的具体数据难以获得，而且实验成本及风险都较高，采用数值模拟的方法进行研究便成为了一个重要的手段。

目前主流数值模拟多采用以集总参数（LP）法为主，结合燃爆准则等对氢气燃烧风险进行判断，在细节部分辅以CFD方法加以分析。本文采用CFD方法，基于EDC模型耦合P1模型，用德国开展的ThAI-HD12氢气燃烧风险实验对模型进行了验证及修正，结果符合良好。同时通过改变点火位置、氢气浓度，得到了多种工况下安全壳内压力、温度变化，对氢气燃烧机理特性进行了分析，并计算得到了火焰传播云图。

1 数值模拟

1.1 控制方程

可用N-S方程对氢气扩散及燃烧过程中的流动情况进行描述：

其主要包括质量守恒、动量守恒、能量守恒三个方程。

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

其中：

eff——有效导热系数；

h——生成热；

1.2 湍流模型

常用的标准-模型，表示湍流脉动动能，表示湍流脉动动能耗散率，湍流动能方程和扩散方程如下：

其中：

k——因层流速度梯度而产生的湍流动能；

b——因浮力而产生的湍流动能；

M——可压缩流动中扩散产生的波动；

1.3 燃烧模型

本文采用EDC模型模拟氢气燃烧过程，EDC模型在考虑湍流流动的同时考虑Arrhenius化学反应动力学，耦合详细的氢气燃烧反应机理，更能详实反映燃烧的过程。由于本文主要关注安全壳内温度、压力的变化，氢气燃烧反应机理采用总包反应机理[2]。

1.4 实验装置

本文对德国ThAI氢气燃烧实验装置[3]进行了建模与模拟，实验装置如图1所示，装置最大直径约3.2 m，高约9.2 m。

ThAI实验的实验条件如表1所示。

表1　ThAI实验条件

图1 ThAI实验装置

2 结果分析

2.1 模型验证

本文基于ANSYS FLUENT软件进行数值模拟，使用ANSYS ICEM软件，以ThAI装置的实际尺寸1:1建模，采用非结构化网格划分，对壁面边界层网格进行了加密。

考虑到安全壳内氢气燃烧过程及机理较为复杂，需要同时考虑湍流流动和详细的化学反应过程，且燃烧后升温很高，辐射换热对压力、温度影响较重要，在几种模型的对比验证之后，本文采用EDC模型和P1模型进行后续计算，同时通过大量计算不同网格的网格敏感性，最终选择100 mm的网格进行后续计算[4]，结果如图2所示。

从上图可以看出，实验测得最大相对压力（相对初始压力150 kPa，后文同）约345 kPa，最高温度约1 000 K，计算所得最大相对压力约385 kPa，最高温度约1 050 K。由于实验中氢气一般无法燃烧完全，并且实验装置的各种构件会吸收一部分热量，导致实际升温升压较模拟计算结果均较低，在误差允许范围内，计算结果与实验结果符合良好。

从图2中也可以看出，模拟计算相较于实验更早发生点火，且升温升压速度快很多，主要有以下原因：实验中采用热电偶、压力传感器进行测温测压，有一定的响应时间，产生了一定的延迟，测得升温升压速度较模拟结果更慢；实验中水蒸气会影响换热过程及反应速率，但模拟计算中水蒸气冷凝量较小，同时也无法反映出对化学反应的影响，与实际过程有所差异。

图2 模拟结果与实验结果对比

本文采用的EDC模型结合了详细的氢气燃烧反应机理，反应机理默认指前因子、活化能等参数与实验中实际情况有所差异，对反应速率影响较大，需对参数或机理进行修正。

总体来说，EDC燃烧模型耦合了总包反应，模拟结果与实验过程中压力、温度等变化情况符合较好。

2.2 反应机理修正

EDC模型耦合了详细的氢气燃烧反应机理，该机理对于燃烧过程十分重要，决定了氢气燃烧反应速度、压力、温度、火焰传播等。对于本文采用的总包反应机理，比较重要的参数是指前因子和活化能，其直接对点火情况和反应速率产生影响[2]。

目前有多种氢气燃烧反应机理，如Wartnatz、Jones、GRI机理等，这些机理主要是根据实验获得经验参数。本文选择了几种机理，同时不断调整指前因子和活化能两个参数，最终选择一组与实验符合较好的参数，如图3所示。

图3 参数修正后结果

修正反应机理参数后，温度压力的变化与实验结果吻合的更好，能更真实的反映出点火情况，但受到所选反应机理的限制，燃烧速率仍和实验有一定误差，想要更加符合实验结果，需要考虑更加详细的反应机理。

2.3 点火位置的影响

该部分对安全壳中不同位置点火后的氢气燃烧情况进行了研究，分别在安全壳底部、中部、顶部进行点火，计算得到压力、温度的变化情况，如图4所示。

从图4可以看出，中部点火的压力和温度最先达到稳定，其次是底部、最后是顶部，这反映出了浮力对于氢气燃烧火焰传播速度的影响。中部点火，火焰可以向上下两个方向同时传播，升温升压最快，而底部点火后升温升压比顶部点火更快，说明底部点火的火焰传播在浮力作用下更快，而顶部点火的火焰传播受到了浮力的阻碍，火焰传播速度受到浮力的影响较大。在后续的模拟中还发现，如果氢气浓度较低，顶部点火甚至可能会熄灭。由此可以得出，对于氢气燃烧的过程，如果空间尺度足够大，需要考虑浮力的影响。

图4 点火位置的影响

此外，温度测点设置在安全壳中部，可以看到中部点火点附近的温度在点火后瞬间升高，然后迅速下降，这是因为点火后该处氢气浓度过低抑制了燃烧，周围低温气体回流冷却降温，也可以看出氢气缓解措施之一的点火器是有作用的，在氢气浓度不高的时候点火可以有效降低氢气浓度而不会造成持续的高温高压。

2.4 氢气浓度的影响

该部分研究了氢气浓度对于氢气燃烧过程的影响，分别设置了氢气初始体积分数为6%、8%、10%、12%的四种工况，与空气预混后在底部点燃，计算得到压力、温度的变化情况，如下图。

从图5中可以看出，点火的情况、升温升压情况与氢气浓度相关，低氢气浓度下，浓度越高，点火越快，同时，升温升压速率越快，而当浓度达到一定程度之后，点火不再提前。同时，氢气浓度越高，总能量越高，燃烧产生的最高压力和温度也越高。

为了探究燃烧是否完全，对于四种不同氢气浓度的工况，计算得到的氢气浓度变化如图 6所示。

图5 氢气浓度的影响

图6 氢气浓度变化

由图6可以看出，在四种工况下氢气燃尽率皆为100%，而实验中氢气体积浓度6%时很可能不会完全燃烧，这种差异出现的原因主要在于燃烧模型原理上，模型假定化学反应都发生在小涡结构中，一旦开始燃烧会持续到涡完全耗散或反应物消耗完全。

2.5 火焰传播情况

下图是分别是点火后0.5 s、0.7 s、1.0 s、1.4 s时刻的火焰传播图。

图7 火焰传播图

由图可以看出，点火之后，受到浮力、管壁限制等因素，火焰由球形转变成指形，再转变成蘑菇形，火焰表面积不断增加。之后，一方面由于火焰与壁面接触处产生了局部的小型湍流，对于低浓度氢气的燃烧，火焰传播速度小，而这些局部的湍流不断使管壁处发生火焰加速，率先燃烧[5]；另一方面由于火焰前峰面的反射压缩波不断增强，会使前峰面变平甚至凹陷，呈反弓形状，因而形成了典型的“郁金香形状火焰”[6]。

3　结论

本文基于EDC燃烧模型，对ThAI氢气燃烧风险实验进行了模拟验证，获得了压力、温度、氢气浓度等变化情况，并对氢气燃烧机理及特性进行了分析。主要结论如下：

（1）修正氢气燃烧反应机理参数后的EDC模型可以较好的模拟氢气点火、燃烧的情况，与实验结果符合良好，但仍受到反应机理的限制。

（2）空间尺度足够大时，浮力对于氢气燃烧火焰传播的影响显著。

（3）不同浓度氢气燃烧的最终温度、压力随浓度的升高而升高；低氢气浓度下，氢气浓度对于点火快慢影响显著，浓度越高，点火越快，同时升温升压速率也越快，但当氢气浓度达到一定程度，点火不再提前。

（4）安全壳内低浓度氢气燃烧火焰的传播受到浮力、压力波、局部湍流等多种因素影响，最终会出现典型的“郁金香形状火焰”。

［1］ 王明涛．中厚板射流冲击冷却有限元模拟［D］．辽宁科技大学，2012.

［2］ 朱勇辉，王迎，李勇，等．核电厂严重事故下氢气燃烧单步模型研究［J］．核动力工程，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］ 李咏蔚，元一单，杨小明．氢气燃烧机理模型对比分析研究［J］．中国科技成果，2021，22（1）：35-37，44.

［5］ 路长，李毅，潘荣锟．管道氢气-空气预混气体爆炸特征的试验研究［J］．安全与环境学报，2016，16（3）：38-42.

［6］ 李书明，张旭龙，程关兵．氢气-空气预混火焰传播特性的数值模拟研究［J］．装备制造技术，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

国家重点研发计划（编号：2019YFB1900700）

李咏蔚（1995—），男，辽宁省阜新人，硕士研究生，现主要从事氢气燃爆风险方面研究