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Propagation phenomena of spherically expanding hydrogen-air premixed flames; Simulation by a public open source code

球形に膨張する水素空気予混合火炎の伝播現象; 汎用オープンソースコードによるシミュレーション

Thwe, T. A.  ; 寺田 敦彦  ; 日野 竜太郎; 永石 隆二 ; 門脇 敏

Thwe, T. A.; Terada, Atsuhiko; Hino, Ryutaro; Nagaishi, Ryuji; Kadowaki, Satoshi

燃料デブリ等の長期保管での水素安全管理の観点から、保管容器内の水素混合ガスの漏洩拡散、燃焼現象等の特性を理解することは重要であり、シミュレーションはそれを明らかにする有用な手法の一つである。本研究では、汎用オープンソースコードOpenFOAMを使用して、水素空気予混合火炎の伝播シミュレーションを行った。計算では、長岡技術科学大学の実験から導出された新しい層流火炎伝播速度モデルを適用し、2つの異なるサイズ(長さ0.21m及び0.13m)の立方体形状の容器内の空間をそれぞれ0.625mm及び0.5mmのメッシュサイズでモデル化した。容器内は、当量比1.0、初期温度298K、圧力101,325Paの水素-空気予混合気で満たされている。両ケースとも計算結果は、容器中心位置での着火後に予混合火炎が球状に伝播することを示し、その伝播現象は0.005秒以内の範囲で実験結果と良く一致した。また、火炎面のしわ形状は、メッシュサイズを細かくすることで、実験で観察された形状よりも微細化されているように見られた。これは、メッシュサイズがシミュレーションのしわ形状の形成に影響するからと考えられる。

For long-term safe storage of fuel debris from hydrogen (H$$_{2}$$) explosion, the development of simulation codes for H$$_{2}$$ behaviors is important. In this simulation, propagation of H$$_{2}$$-air premixed flames was reproduced by using a public open source code OpenFOAM. Not only default solver but also modified one based on a new laminar flame speed model derived from the experiments at Nagaoka University of Technology were applied. Three-dimensional 1/8 of cubic shaped vessels with two sizes of 0.21m and 0.13m in length were modeled with mesh sizes of 0.625mm and 0.5mm, respectively. H$$_{2}$$-air mixture with a unity equivalence ratio, temperature 298K and pressure 101,325Pa was used. The flames propagated spherically and the propagation phenomena had good agreement with the experimental results within 0.005s. The wrinkle flame shape appeared in the smaller model was more likely with that observed in the experiments. This is because mesh size has influence on the wrinkle shape formation in the simulations.

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