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Simulation of the self-propagating hydrogen-air premixed flame in a closed-vessel by an open-source CFD code

オープンソースCFDコードによる密閉容器内で自己伝播する水素-空気予混合火炎シミュレーション

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

高レベル放射性合水廃棄物容器内発生している水素の燃焼及び爆発の危険性について注意する必要がある。本研究では、密閉容器内での水素燃焼の特性を調査するためにオープンソースコードOpenFOAMを使用してシミュレーションを行い、初期火炎速度の影響による火炎面の挙動を調べた。初期の層流火炎速度が増加すると、火炎の半径,圧力,温度が増加し、流体力学的効果によりセル状火炎形状は堅牢になったことが分かった。コードの検証分析のために既存の水素-空気爆発実験から導出した火炎速度モデルをコードに実装し、火炎面に格子解像度の影響を明らかにした。格子サイズが小さくなると、火炎面のセル分離がより明確に形成され、火炎半径が大きくなった。シミュレーションによって得られた火炎半径とセル状火炎面は実験結果と合理的に一致した。

The simulations of the combustion of self-propagating hydrogen-air premixed flame are performed by an open-source CFD code. The flame propagation behavior, flame radius, temperature and pressure are analyzed by varying the initial laminar flame speed and grid size. When the initial laminar speed increases, the thermal expansion effects become strong which leads the increase of flame radius along with the increase of flame surface area, flame temperature and pressure. A new laminar flame speed model derived previously from the results of experiment is also introduced to the code and the obtained flame radii are compared with those from the experiments. The formation of cellular flame fronts is captured by simulation and the cell separation on the flame surface vividly appears when the gird resolution becomes sufficiently higher. The propagation behavior of cellular flame front and the flame radius obtained from the simulations have the reasonable agreement with the previous experiments.

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