К единообразному CFD+описанию работоспособности рекомбинаторов с учетом детального механизма реакции окисления водорода

16.12.2023 2023 - №04 Теплофизика и теплогидравлика

А.В. Авдеенков О.И. Ачаковский В.В. Кетлеров С.Л. Соловьев К. Х. Зыонг

https://doi.org/10.26583/npe.2023.4.05

Для согласованного CFD-обоснования работоспособности рекомбинатора водорода применен детальный механизм реакции рекомбинации водорода и кислорода. Расчетная методика с использованием детального механизма позволяет претендовать на универсальность в численном обосновании как производительности рекомбинатора, так и порога беспламенной рекомбинации. Используемый подход обеспечивает единообразие при численном обосновании характеристик рекомбинаторов различного типа с точки зрения как верификации свойств моделей рекомбинаторов, так и оптимизации конструкции рекомбинаторов для возможного улучшения их характеристик. Разработанные на основании этого подхода модели были применены как для плоских, так и для цилиндрических каталитических элементов, которые используются соответственно в рекомбинаторах типа FR и РВК. В рамках численных исследований проведена верификация детального механизма рекомбинации, в частности, проведено сравнение распределений температур вдоль каталитических элементов и производительностей. Было получено хорошее согласие между расчетными и экспериментальными данными. В рамках подхода учитывается механизм не только поверхностной рекомбинации водорода и кислорода на платине, но и объемной рекомбинации в газовой фазе. Это позволяет рассчитать начало интенсивного горения вне каталитических пластин, что является признаком объемного воспламенения водородо-воздушной среды. Концентрации, при которых возможно такое воспламенение, получены при разных содержаниях водяного пара в среде. Таким образом, предложенный подход и созданные модели позволяют полностью описывать работоспособность рекомбинаторов самой различной конструкции без привлечения дополнительных экспериментальных данных, что крайне необходимо при обосновании водородной взрывобезопасности АЭС.

Ссылки

1. IAEA-TECDOC-1661. Mitigation of Hydrogen Hazards in Severe Accidents in Nuclear Power Plants. IAEA, Vienna, 2011.
2. Reinecke E.A., Bentaib A., Kelm S., Jahn W., Meynet N., Caroli C. Open Issues in the Applicability of Recombiner Experiments and Modelling to Reactor Simulations. // Prog. Nucl. Energ. – 2010. – 52(1). – PP. 136-147. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2009.09.010
3. Avdeenkov A.V., Sergeev V.V., Stepanov A.V., Malakhov A.A., Koshmanov D.Y., Soloviev S.L., Bessarabov D.G. Math Hydrogen Catalytic Recombiner: Engineering Model for Dynamic Full-Scale Calculations. // Int. J. Hydrogen Energy. – 2018. – 43(52). – PP. 23523-23537. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.10.212
4. IAEA International Nuclear Information System (INIS). Электронный ресурс: https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/33/020/33020098.pdf (дата доступа 20.05.2023).
5. Framatome GmbH. Электронный ресурс: https://www.framatome.com/solutions-portfolio/portfolio/product?product=A0640 (дата доступа 20.05.2023).
6. ООО ИНПК «Русские Энергетические Технологии. Электронный ресурс: https://retech.ru/pkrv (дата доступа 20.05.2023).
7. Tarasov O.V., Kiselev A.E., Filippov A.S., Yudina T.A., Grigoruk D.G., Koshmanov D.E., Keller V.D., Khristenko E.B. Development and Verification of a Model of RVK-500, -1000 Recombiners for Modeling the Containment Shells of NPP with VVER by Computational Hydrodynamics. // Atomic Energy. – 2017. – 121(3). – PP. 131-136.
8. Avdeenkov A.V., Kalyakin S.G., Soloviev S.L., Duong Quang H. On the scalability of the operating capacity of hydrogen recombiners. // Nuclear Energy and Technology. – 2022. – 8(2). – PP. 143-152.
9. Bachellerie E., Arnould F., Auglaire M., de Boeck B., Braillard O., Eckardt B., Ferroni F., Moffett R. Generic approach for designing and implementing a passive autocatalytic recombiner PAR-system in nuclear power plant containments. // Nucl. Eng. Des. – 2003. – 221. – PP. 151-165. DOI: https://doi.org/10.1016/S0029-5493(02)00330-8
10. Reinecke E.A., Boehm J., Drinovac P., Struth S., Tragsdorf I.M. Modelling of catalytic recombiners: Comparison of REKO-DIREKT calculations with REKO-3 experiments, Proceedings of the International Conference «Nuclear Energy for New Europe 2005». Bled, Slovenia, September 5-8, 2005, 092.1-092.10.
11. Malakhov A.A., du Toit M.H., du Preez S.P., Avdeenkov A.V., Bessarabov D.G. Temperature Profile Mapping Over a Catalytic Unit of a Hydrogen Passive Autocatalytic Recombiner: Experimental and CFD study. // Energy Fuels. – 2020. – 34(9). – PP. 11637-11649. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.0c01582
12. Siemens STAR CCM+ CFD software. Электронный ресурс: https://plm.sw.siemens.com/en-US/simcenter/fluids-thermal-simulation/star-ccm/ (дата доступа 20.05.2023).
13. Reinecke E.A., Kelm S., Jahn. W., Jдkel C., Allelein H.J. Simulation of the Efficiency of Hydrogen Recombiners as Safety Devices. // Int. J. Hydrogen Energy. – 2013. – 38(19). – PP. 8117-8124. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.09.093
14. Baggemann J., Jahn W., Kelm S., Reinecke E.A., Allelein H.J. Numerical Study on the Influence of Different Boundary Conditions on the Efficiency of Hydrogen Recombiners inside a Car Garage. // Int. J. Hydrogen Energy. – 2017. – 42(11). – PP. 7608-7616. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.04.084
15. Appel C., Mantzaras J., Schaeren R., Bombach R., Inauen A., Kaeppeli B., Hemmerling B., Stampanoni A. An Experimental and Numerical Investigation of Homogeneous Ignition in Catalytically Stabilized Combustion of Hydrogen/Air Mixtures over Platinum, Combust. // Flame. – 2002. – 28(4). – PP. 340-368. DOI: https://doi.org/10.1016/S0010-2180(01)00363-7
16. Chemical-Kinetic Mechanisms for Combustion Applications, San Diego Mechanism, Mechanical and Aerospace Engineering (Combustion Research), University of California at San Diego. Электронный ресурс: https://web.eng.ucsd.edu/mae/groups/combustion/mechanism.html (дата доступа 20.05.2023).
17. Meynet N., Bentaib A. Numerical Study of Hydrogen Ignition by Passive Autocatalytic Recombiners. // Nuclear Technology. – 2012. – 178(1). – PP. 17-28. DOI: https://doi.org/10.13182/NT12-A13544

рекомбинатор производительность химическая кинетика поджиг многошаговая реакция

Ссылка для цитирования статьи: Авдеенков А.В., Ачаковский О.И., Кетлеров В.В., Соловьев С.Л., Зыонг К.Х. К единообразному CFD+описанию работоспособности рекомбинаторов с учетом детального механизма реакции окисления водорода. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2023. – № 4. – С. 61-72. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2023.4.05 .