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Multidimensional simulation of hydrogen distribution and turbulent combustion in severe accidents Final report

Authors
  • Eder, A.
  • Dabbene, F.
  • Studer, E.
  • Poruba, C.
  • Movahed, M.
  • Mayinger, F.
  • Bielert, U. (comp.)
  • Kotchourko, A.
  • Veser, A.
  • Breitung, W.
  • Royl, P.
  • Scholtysssek, W.
  • Wilkening, H.
  • Huld, T.
  • Edlinger, B.
  • karlsruhe, forschungszentrum
Publication Date
Jan 01, 2002
Source
OpenGrey Repository
Keywords
Language
English
License
Unknown

Abstract

In diesem Projekt wurden die Rechencodes COM3D und GASFLOW von FZK, REACFLOW vom Joint Research Centre Ispra (JRC), TONUS vom Commissariat a l'Energie Atomique (CEA) und in CFX4.2 implementierte Modelle von TUM eingesetzt. Die Codes wurden in einem Zweistufenprozess validiert. Zuerst wurden mit jedem Code Standardprobleme sowie verschiedene experimentelle Daten nachgerechnet. Dann wurde ein gemeinsamer Satz von Experimenten analysiert. Diese Benchmarkrechnungen ermoeglichten einen direkten Vergleich der numerischen Modelle und ihrer Implementierung. Ausserdem wurden Anwendungsrechnungen durchgefuehrt, naemlich a) eine Simulation mit TONUS von Wasserstoffverteilung und Verbrennung in Vierraumgeometrie, b) Simulationen mit GASFLOW des Battelle Helium Injektionstests Hyjet J x 7 und der Rekombinatorversuche GX6 and GX7, c) Simulationen mit GASFLOW der Wasserstoff-Dampf-Verteilung und Wasserstoffkontrolle bei einem grossen Leckstoerfall und d) Simulation der turbulenten Verbrennung auf voller Reaktorskala mit COM3D. Mit neuen Daten von vier verschiedenen Versuchsanlagen wurde die experimentelle Datenbasis in diesem Projekt wesentlich komplettiert. Neben der Verwendung zur Validierung von Rechencodes ermoeglichen die Ergebnisse wertvolle Einblicke in die physikalischen Phaenomene bei turbulenten Verbrennungsprozessen. Die Anwendungsbereiche der in diesem Projekt verwendeten Verbrennungscodes sind komplementaer. Keines der Programme deckt den vollen Bereich von der Zuendung ueber die Beschleunigungsphase bis hin zur voll entwickelten Detonation ab. Beschraenkungen bei den verfuegbaren Verbrennungsmodelle und die Notwendigkeit weiterer Validierung erlauben noch keine quanitative Vorhersagen von Containmentlasten unter allen moeglichen Randbedingungen. Die Modelle sind aber geeignet, komplexe Wechselwirkungen von Turbulenz und Reaktionschemie auf realistischer Skala in 3-D Geometrien zu untersuchen. Fuer praktische Anwendungen auf dem Gebiet der Reaktorsicherheit sind weitere numerische Verbesserungen sowie die Anwendung schneller Rechner notwendig, was die regelmaessige Anwendung der Codes durch Sicherheitsbehoerden, Industrie und Forschungseinrichtungen erleichtern und standardisieren koennte. Die verbesserte Vorhersagemoeglichkeit lokaler Wasserstoff-Dampf-Verteilungen und von Verbrennungsphaenomenen kann dann den Entwurf, die Optimierung und die zuverlaessige Bewertung von Wasserstoffkontrollsystemen wirkungsvoll unterstuetzen. (orig.) / The numerical tools involved in this project are COM3D and GASFLOW at FZK, REACFLOW at Joint Research Centre Ispra (JRC), TONUS at Commissariat a l'Energie Atomique (CEA) and models implemented in CFX4.2 at TUM. The codes were verified in a two-step approach. Firstly, each code was tested against standard test cases and against different experiments. Secondly, the codes were used to calculate a common set of experiments. These benchmark calculations allowed a direct comparison of the different numerical models and implementations. Model applications were a) TONUS simulation of H_2-steam distribution and combustion in four-compartment geometry, b) GASFLOW simulation of the Battelle Helium injection test Hyjet J x 7 and of Battelle recombiner tests GX6 and GX7, c) GASFLOW simulation of H_2-steam distribution with mitigation during a large break LOCA and d) full reactor scale turbulent combustion simulation with COM3D. With data from four different facilities, the experimental database, which has been developed within the present project, is unique in its size and completeness. In addition to provide data for the validation of numerical codes, the experiments also provide useful insight into the physical phenomena involved in turbulent combustion processes. The range of applicability of combustion codes used within this project were found to be complementary to each other. While no single code covers the whole area of interesting combustion regimes, a combination of the different codes can describe the whole combustion process from ignition over the flame acceleration regime to fully developed detonations. Limitations of the present combustion models and need for further validation do not allow fully quantitative predictions of the detailed containment loads under all conditions. However, they allow studies of the complex turbulence/chemistry interaction processes taking place in realistic large-scale 3-D geometry configurations. For practical safety applications, further numerical improvement and the use of fast computers are desirable. This will allow more frequent and standardized application of the codes by safety bodies, industry and research organisations. The capability of predicting local H_2-steam concentrations and combustion phenomena will support design, optimisation and reliable assessment of hydrogen mitigation systems. (orig.) / Available from TIB Hannover: ZA 5141(6696) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische Informationsbibliothek / SIGLE / European Union (Euro), Brussels (Belgium) / DE / Germany

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