在核電站發(fā)生嚴重事故的情況下,反應堆和乏燃料池中燃料芯塊和包殼由于冷卻不足導致其溫度急劇升高,高溫的鋯合金包殼與冷卻劑發(fā)生劇烈的化學反應,釋放出氫氣。由于產(chǎn)生的氫氣量非常大,會在安全殼內(nèi)、輔助廠房內(nèi)以及局部隔間內(nèi)形成可燃性混合氣體,在點火源存在的情況下,會發(fā)生燃燒甚至爆炸,威脅設備和安全殼的安全,因此對氫氣在中等大小空間內(nèi)的燃燒規(guī)律進行研究具有重要意義。本文首先對目前氫氣燃燒的現(xiàn)狀進行了介紹,包括主流的氫氣燃燒實驗、氫氣燃燒模擬計算的軟件以及其針對實驗的驗證情況。然后對目前大空間的氫氣燃燒理論知識進行了簡要的介紹,主要包括氫氣的層流火焰實驗關系式、氫氣湍流火焰關系式、湍流火焰的分區(qū)圖、大空間氫氣火焰加速的實驗準則以及大空間火焰發(fā)生燃爆轉(zhuǎn)變的實驗準則。氫氣燃燒的CFD模型是本文數(shù)值分析的基礎,所以也對其進行了重要的介紹。燃燒計算模型的有效性是用于數(shù)值研究的前提,因此本文選用了被廣泛使用的THAI-HD12和ENACCEF-RUN153實驗作為對燃燒計算模型的驗證實驗。通過模擬結果和實驗結果進行對比可以發(fā)現(xiàn),模擬的壓力變化、熱量散失、火焰的傳播形狀、火焰的傳播速度以及火焰加速現(xiàn)象等都能夠與實驗數(shù)據(jù)有較好的符合,這表明該燃燒模型能夠針對中等尺度空間進行比較準確的計算。氫氣的濃度和點火位置會對氫氣的燃燒產(chǎn)生比較顯著的影響,通過模擬分析發(fā)現(xiàn),隨著濃度的升高,燃燒的升壓速率增加、峰值溫升高、峰值壓力升高、火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾�。在高濃度�?在罐體中間點火能夠增加燃燒速率,而在偏低濃度下,在罐體底部點火能增加燃燒速率,在較低濃度下,頂部點火容易導致火焰發(fā)生熄滅。障礙物對氫氣燃燒有十分顯著的影響,在同樣的點火位置和濃度下,不同的障礙物布置會產(chǎn)生不同的燃燒現(xiàn)象。本文針對四種類型的障礙物布置進行了對比分析,分別是障礙物的尺寸、障礙物的數(shù)量、障礙物的布置位置、障礙物的不同形狀。通過對比分析發(fā)現(xiàn),隨著障礙物阻塞率增加,火焰?zhèn)鞑ニ俣�、升壓速率增�?障礙物的數(shù)量非常低濃度氫氣燃燒壓力無影響,障礙物數(shù)量較少時對偏高濃度有影響,但是隨著障礙物數(shù)量增加到一定數(shù)量,對燃燒無影響;障礙物布置越靠近中間位置,對燃燒越有影響;障礙物的形狀逐漸變小,數(shù)量增加的過程中,會促進燃燒,接著會阻礙燃燒。
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TM623.8
【部分圖文】：

其作用機理十分復雜，過去幾十年來一直是科學研究介紹重事故后，氫氣一般會與空氣發(fā)生混合，因此核電站中涉及到燃燒[26]為主。核電站發(fā)生嚴重事故后，隨著事故進程的發(fā)展，下三個階段，燃燒（Deflagration）、燃燒向爆炸轉(zhuǎn)變（Deflag Transition 也即 DDT）以及爆炸[26]�；鹧嫠俣葻侨紵凶詈唵蔚囊环N燃燒方式，層流燃燒過程中沒有流動。層流燃燒火焰的結構主要包括四個不同的區(qū)域，分別是未、反應區(qū)域以及燃燒區(qū)域[27]。層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁菍恿骰鹧孀钍侨紵M計算中的重要參數(shù)，對于相同給定的初始溫度、壓比，該速度的值相同。實驗測得傳播速度和濃度的關系結果

和梯度的建立需要時間過程，氫氣的濃度非均勻程度受到氫氣源速率、對流效率、安全殼設計等因素影響。故情況下氫氣的分布受到了廣泛的研究，基于全堆的 HDR-E1來模擬氫氣的分布[26]，試驗的結果包含了水蒸氣、氫氣的濃度分示，從圖中可以看出試驗得出的嚴重事故后的氫氣濃度分布包速的區(qū)域，因此了解火焰加速的機理對研究氫氣燃燒的規(guī)律和燃重要意義。目前建立了各種不同的火焰加速和爆轟轉(zhuǎn)播規(guī)律，但是這些現(xiàn)象分復雜，目前的在機理方面的研究還非常有限，引起火焰加速的括層流火焰及其折疊效應[32][33][34]，湍流效應及其加速效應、激波-火焰相互作用等[35][36]，另外，浮升力對火焰?zhèn)鞑サ脑缙谟兄匾罂臻g的爆炸。浮力影響的大小可以通過 Froude 數(shù)2uFrgL 來 數(shù)較小的時候，說明浮升力的影響較大

*(β)是臨界膨脹率，Le 是 Lewis 數(shù)，β是 Zeldovich 數(shù)。目前主要利用該準則來判斷火焰加速的可能性大小，圖2-4是該準則和實驗結果的對比。圖 2-4 實驗數(shù)據(jù)和 σ 準則的對比[26]Fig.2-4 comparison of experimental data and σ criteria[26]2.1.3 燃爆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象燃爆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象是氫氣燃燒發(fā)展過程中最重要的現(xiàn)象，發(fā)生燃爆轉(zhuǎn)變后會導致發(fā)生氫氣爆炸，并產(chǎn)生強烈的沖擊波，導致極為嚴重的后果。目前在光滑圓管和長通道的火焰?zhèn)鞑嶒瀃37][38]中都觀察到了大量的燃燒向爆炸轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象（Deflagration to Detonation 也即 DDT）。從實驗中觀察發(fā)現(xiàn)導致發(fā)生 DDT 的原因可以分為兩大類，第一類是通過障礙物的作用下，火焰不斷加速最終導致發(fā)生DDT[39]，另一類是通過噴射點火的方式直接引發(fā) DDT[40]。第二類是直接引發(fā)DDT 的方法，點火的初始能量需要足夠大，引發(fā)強的激波，激波通過反射和聚焦導致周邊混合氣體受到壓縮而產(chǎn)生自燃，進而引發(fā) DDT。而第一種方法的 DDT主要是由于火焰不斷加速所引起，在加速過程中，當存在壁面，凹陷空間等障礙物時
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本文編號：2869853