Μοντελοποίηση τυρβώδους καύσης με τη μεθοδολογία της υπολογιστικής μηχανικής και εφαρμογή σε θέματα ασφάλειας τεχνολογιών υδρογόνου
Authors: Τόλιας Ηλίας 
Published: September 2021

Το αντικείμενο της Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη υπολογιστικής μεθοδολογίας για τη μελέτη της καύσης αερίων καυσίμων, όπως το υδρογόνο, με στόχο τη δημιουργία ενός εργαλείου που θα προβλέπει τον βαθμό επικινδυνότητας ατυχημάτων που σχετίζονται με έκλυση εύφλεκτων αερίων σε ανοιχτούς και κλειστούς χώρους. Το εργαλείο αυτό θα επιτρέψει τον αποτελεσματικότερο σχεδιασμό των εγκαταστάσεων και τη λήψη των καταλλήλων μέτρων ασφαλείας που θα ελαχιστοποιούν τις επιπτώσεις σε περίπτωση ατυχήματος. Η έρευνα για τη χρήση του υδρογόνου ως εναλλακτικό καύσιμο έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια, αφού θεωρείται ότι μπορεί να συνεισφέρει στην αντιμετώπιση του ενεργειακού προβλήματος και της κλιματικής αλλαγής. Έχει μεγάλη θερμογόνο δύναμη ανά μονάδα μάζας, ενώ το μοναδικό προϊόν της καύσης του είναι το νερό, πράγμα που το καθιστά ιδιαίτερα φιλικό προς το περιβάλλον. Παρά τα πολλά πλεονεκτήματα που παρουσιάζει ως φορέας ενέργειας, έχει το μειονέκτημα ότι είναι ένα πολύ εύφλεκτο αέριο με μεγάλο εύρος ορίων αναφλεξιμότητας, που σημαίνει ότι σε περίπτωση διαρροής και ανάμειξης με τον αέρα μπορεί να οδηγήσει σε βίαιη έκρηξη. Η έκρηξη αέριου μείγματος είναι μια περίπλοκη διεργασία η οποία περιλαμβάνει μεγάλο πλήθος φυσικών φαινομένων. Η δυσκολία στη μελέτη και μοντελοποίηση της έγκειται στο γεγονός ότι εμπεριέχει πολλά φαινόμενα τα οποία λαμβάνουν χώρα σε διαφορετικές χωρικές και χρονικές κλίμακες, οι οποίες μπορεί να διαφέρουν μεταξύ τους πολλές τάξεις μεγέθους. Η τύρβη, η οποία αναπτύσσεται στα περισσότερα προβλήματα της μηχανικής των ρευστών, είναι από μόνη της ένα φαινόμενο μεγάλης πολυπλοκότητας και η συνύπαρξή της με την καύση κάνει τη μελέτη της έκρηξης πολυσύνθετη. Για την μελέτη και την προσομοίωση του φαινομένου της έκρηξης αέριου μείγματος με σκοπό τη βελτίωση της ικανότητας πρόβλεψης των συνεπειών της, χρησιμοποιήθηκε η μεθοδολογία της υπολογιστικής ρευστομηχανικής (Computational Fluid Dynamics, CFD). Πρόκειται για μια μέθοδο μεγάλης ακρίβειας, στην οποία επιλύονται αριθμητικά οι βασικές εξισώσεις που διέπουν τη μηχανική των ρευστών. Χρησιμοποιήθηκε ο εργαστηριακός CFD κώδικας ADREA-HF, ο οποίος έχει εφαρμοστεί εκτεταμένα στο παρελθόν σε προσομοιώσεις διασποράς αερίων, και ειδικά υδρογόνου, σε σύνθετες γεωμετρίες. Στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής ο κώδικας επεκτάθηκε έτσι ώστε να μπορεί να προσομοιώνει περιπτώσεις οι οποίες εμπλέκουν καύση, δίνοντας έμφαση στο φαινόμενο της τυρβώδους έκρηξης προαναμεμειγμένου μείγματος καυσίμου-αέρα.Το βασικό μοντέλο καύσης το οποίο χρησιμοποιήθηκε και υλοποιήθηκε στον κώδικα, είναι ένα καινούργιο και πολλά υποσχόμενο μοντέλο το οποίο εμφανίστηκε πρόσφατα στη βιβλιογραφία. Στόχοι της παρούσας διατριβής ήταν η αξιολόγηση του, ο εντοπισμός των αδυναμιών του και η βελτίωσή του. Το μοντέλο αυτό λαμβάνει υπ’ όψιν του τα περισσότερα φυσικά φαινόμενα τα οποία παρατηρούνται σε μια έκρηξη αέριου μείγματος και τις παραμέτρους που την ελέγχουν. Αυτά είναι η χημεία της αντίδρασης, η τύρβη η οποία βρίσκεται μπροστά από το μέτωπο της φλόγας, η τύρβη η οποία αναπτύσσεται από το ίδιο το μέτωπο, η αστάθεια θερμοδιάχυσης και τέλος η φράκταλ γεωμετρία της επιφάνειας της φλόγας σε εκρήξεις μεγάλης κλίμακας. Για τη διαχείριση της τύρβης χρησιμοποιήθηκε πρωτίστως η μέθοδος των μεγάλων δινών (LES), η χρήση της οποίας επεκτείνεται συνεχώς τα τελευταία χρόνια λόγω της αυξημένης της ακρίβειας, ενώ εξετάστηκε και η μέθοδος RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes). Αρχικά, πριν γίνει η μελέτη περίπλοκων σεναρίων, έγινε μοντελοποίηση έκρηξης σε απλές περιπτώσεις έτσι ώστε να επιβεβαιωθεί η ορθότητά της συνολικής μεθοδολογίας. Προσομοιώθηκαν οι περιπτώσεις της μονοδιάστατης έκρηξης σε ευθύγραμμο ημι-ανοιχτό κανάλι και της τριδιάστατης έκρηξης σε τελείως κλειστό χώρο. Από τις προσομοιώσεις αυτές συμπεραίνεται η ορθότητα της μεθοδολογίας, καθώς αναπαράχθηκαν με ακρίβεια οι θεωρητικές λύσεις των προβλημάτων. Στην συνέχεια έγιναν τριδιάστατες προσομοιώσεις περιπτώσεων στις οποίες υπάρχουν διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα. Οι περιπτώσεις που εξετάστηκαν καλύπτουν ένα εύρος διαφορετικών χωρικών κλιμάκων και φαινομένων έτσι ώστε η αξιολόγηση της μεθοδολογίας να είναι όσο το δυνατόν πληρέστερη. Σε όλες τις προσομοιώσεις εξετάστηκε η επίδραση στα αποτελέσματα διάφορων παραμέτρων του μοντέλου καύσης ενώ έγινε και σύγκριση των μεθόδων LES και RANS. Αρχικά έγινε προσομοίωση έκρηξης σε ημι-ανοιχτό αγωγό μικρής κλίμακας παρουσίας εμποδίων. Σε αυτή την περίπτωση αξιολογήθηκε η μοντελοποίηση της αστάθειας θερμοδιάχυσης και προτάθηκε μια διαφορετική τιμή της κρίσιμης ακτίνας μετάβασης στην αστάθεια αυτή, η οποία οδήγησε σε καλύτερη συμφωνία με το πείραμα. Στη συνέχεια η μεθοδολογία αξιολογήθηκε σε εκρήξεις μεγάλης κλίμακας, καθώς έγινε προσομοίωση ενός από τα μεγαλύτερα πειράματα έκρηξης μείγματος υδρογόνου-αέρα που έχουν πραγματοποιηθεί. Ιδιαίτερη σημασία δόθηκε στο υπομοντέλο φράκταλ, ενώ εξετάστηκαν και διαφορετικά μοντέλα καύσης. Στη συνέχεια εξετάστηκε το σενάριο έκρηξης σε μοντέλο σήραγγας παρουσίας και μη εμποδίων. Σε όλες τις προσομοιώσεις η συμφωνία με το πείραμα ήταν πολύ καλή. Το τελευταίο σενάριο που εξετάστηκε αφορά την έκρηξη ομογενούς μείγματος υδρογόνου-αέρα σε κλειστό δοχείο μεσαίας κλίμακας με άνοιγμα για την εκτόνωση της πίεσης. Οι εκρήξεις τέτοιου είδους έχουν μεγάλη σημασία τόσο από πρακτική άποψη όσο και λόγω της πολυπλοκότητας του φαινομένου. Η δυσκολία της μοντελοποίησης έγκειται κυρίως στο φαινόμενο της εξωτερικής έκρηξης, η οποία λόγω της βιαιότητάς της οδηγεί στην απότομη αύξηση της πίεσης. Το αρχικό μοντέλο καύσης, προέβλεψε επιτυχώς το φαινόμενο μέχρι το σημείο που η φλόγα φεύγει από το άνοιγμα, απέτυχε όμως να προβλέψει σωστά την εξωτερική έκρηξη. Για αυτό το λόγο, προτάθηκαν και δοκιμάστηκαν δύο καινοτόμες παραλλαγές του μοντέλου καύσης. Η πρώτη παραλλαγή, έχει να κάνει με τον τρόπο υπολογισμού της χαρακτηριστικής ταχύτητας τύρβης, ο οποίος εφαρμόστηκε για πρώτη φορά σε περιπτώσεις σαν την εξεταζόμενη και οδήγησε στην καλύτερη συμφωνία με το πείραμα. Η δεύτερη παραλλαγή, έχει να κάνει με τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται οι παράγοντες που συμμετέχουν στον υπολογισμό του ρυθμού καύσης και οι οποίοι μοντελοποιούν τα διάφορα φαινόμενα. Η αλλαγή αυτή, βελτίωσε εντυπωσιακά το μοντέλο καθώς η εξωτερική έκρηξη προβλέφθηκε επιτυχώς, με αποτέλεσμα η συνολική συμφωνία με τον πείραμα να είναι πάρα πολύ καλή τόσο ποιοτικά όσο και ποσοτικά. Συνοψίζοντας, θεωρείται ότι ο κύριος σκοπός της διατριβής που ήταν η ανάπτυξη, υλοποίηση και αξιολόγηση ενός μαθηματικού μοντέλου καύσης, κατάλληλο για ένα μεγάλο εύρος περιπτώσεων έκρηξης προαναμεμειγμένου μείγματος καυσίμου-αέρα, εκπληρώθηκε.