Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o produkcie kliknij tutaj!
1. Wstęp
Wyciek sprężonego wodoru przez otwór lub uszkodzenie zbiornika prowadzi do powstania strugi o ciśnieniu znacznie wyższym od ciśnienia otoczenia (ang. underexpanded jet). W początkowej fazie przepływu formuje się złożona struktura fal uderzeniowych, która istotnie wpływa na dalszą ewolucję strugi i proces jej mieszania z powietrzem.
Ze względu na szeroki zakres palności wodoru oraz jego wysoką reaktywność, poprawne przewidywanie rozkładu stężenia ma kluczowe znaczenie dla oceny ryzyka – szczególnie w przestrzeniach częściowo lub całkowicie zamkniętych, takich jak tunele czy parkingi podziemne.
W niniejszym artykule przedstawiono podejście wykorzystujące symulacje numeryczne do predykcji dyspersji wodoru oraz jego walidację w oparciu o dane eksperymentalne.
Przedstawione studium przypadku pokazuje, że symulacje CFD pozwalają wyznaczyć strefy zagrożenia bez konieczności wykonywania kosztownych badań eksperymentalnych dla każdego scenariusza.
2. Stężenia krytyczne i bezpieczeństwo
W analizie bezpieczeństwa kluczowe znaczenie mają charakterystyczne progi stężeń objętościowych wodoru w powietrzu. Dolna granica palności (LFL) wynosi około 4% i wyznacza obszar, w którym może powstać mieszanina palna. Przy stężeniach powyżej około 10% możliwa jest propagacja płomienia w kierunku przeciwnym do działania siły ciężkości, co ma istotne znaczenie w analizie scenariuszy w przestrzeniach zamkniętych.
Najbardziej niebezpieczny zakres obejmuje stężenia rzędu 25–42%, dla których obserwuje się najwyższe prędkości spalania, a w konsekwencji możliwość generowania znacznych nadciśnień w przypadku zapłonu.
3. Struktura strumienia w bliskim polu (ang. nearfield) – Dysk Macha
W przypadku wypływów pod wysokim ciśnieniem, tuż za dyszą formuje się złożona struktura fal uderzeniowych, której najważniejszym elementem jest dysk Macha.
Kluczowymi danymi dla tej struktury są:
- Pozycja oraz średnica dysku Macha: są ona determinowana głównie przez stosunek ciśnień całkowitych wypływającego gazu oraz atmosfery.
- Kształt: Opisywana struga może przyjmować strukturę "diamentową" (przy umiarkowanym ciśnieniu) lub formę "beczki" z dyskiem Macha przy wysokich stosunkach ciśnień[1].
4. Studium przypadku
W ramach walidacji modeli CFD przeanalizowano stacjonarny wyciek wodoru o masowym natężeniu przepływu 1 g/s przez dyszę o średnicy 1 mm, przy przepływie współprądowym otaczającego powietrza (ze zwrotem i kierunkiem zgodnym ze strugą wodoru) o prędkości 1.5 m/s.
Ze względu na różnice wymagań numerycznych dla reżimów przepływu wokół dyszy oraz w dalekim polu, analiza została podzielona na dwa etapy:
W pierwszym etapie przeprowadzone symulację bezpośredniego otoczenia dyszy, w której odwzorowano strukturę fal uderzeniowych oraz parametry przepływu w warunkach naddźwiękowych. Uzyskane pola prędkości, stężenia i wielkości turbulentnych posłużyły następnie jako baza do wyznaczenia warunków brzegowych dla uproszczonego modelu.
Drugi etap opierał się na koncepcji tzw. dyszy zastępczej (ang. notional nozzle), w której rzeczywisty wylot zastąpiono profilem przepływu odtworzonym na podstawie wyników pierwszej symulacji. Takie podejście pozwala pominąć kosztowne obliczeniowo odwzorowanie fal uderzeniowych, zachowując jednocześnie poprawną charakterystykę strugi w dalszym polu.
Dane do walidacji modeli CFD zaczerpnięto z wyników eksperymentalnych zrealizowanych podczas europejskiej inicjatywy przednormatywnej HyTunnel-CS[2], powołanej w celu uzupełnienia luk w wiedzy technicznej w zakresie bezpieczeństwa pojazdów wodorowych w tunelach i innych przestrzeniach zamkniętych.
|
|
Dzięki bezkodowej (ang. no-code) automatyzacji w środowisku Simcenter STAR-CCM+, wszystko zostało ustawione w jednym pliku, gdzie etapy uruchamiane są jeden po drugim bez konieczności pisania skomplikowanych skryptów i makr. W przedstawionej tutaj symulacji zdefiniowaliśmy geometrię, parametry siatkowania, modele fizyczne, ustawienia numeryczne dla każdego etapu (ang. stage) oraz kolejność wykonywania operacji w Simulation Operations. |
Rysunek 1. Drzewko zautomatyzowanych operacji w Simcenter STAR-CCM+
Etap 1.
W pierwszym etapie obliczany jest obszar wokół dyszy z pełnym odwzorowaniem struktur przepływu, a danymi wyjściowymi są pola prędkości, ciśnienia, temperatury, stężenia wodoru i powietrza i pól wymaganych przez modele turbulencji, które w kolejnym etapie mapowane są na powierzchnię oddaloną od dyszy, uśredniane po średnicy i wykorzystane jako warunek brzegowy.
Aby ustabilizować rozwiązanie w czasie pierwszych iteracji zastosowano liniowe zwiększanie przepływu masowego i naddźwiękowego ciśnienia statycznego (ang. supersonic static pressure) od zera do wartości eksperymentalnych wg. prostego wzoru:
min(500, ${Iteration})/500 * ${TargetValue}
Ten etap wymagał również specjalnych ustawień numerycznych solvera sprzężonego (ang. coupled) aby dobrze uchwycić przepływ wokół dysku Macha.
Wyniki:
W symulacji dysk Macha znajduje się w odległości 3.064 - 3.143 mm (przedział ze względu na krzywiznę dysku) od dyszy, co pokrywa się z wynikiem ze wzoru empirycznego[3]
dającego wynik 3.055 mm, co daje błąd symulacji ~0.3-3%.
Średnica dysku Macha wynosi około 1.333 mm, co również pokrywa się z wynikami eksperymentalnymi, na podstawie wzoru empirycznego[4]
dającego wynik 1.293 mm. Błąd wynosi więc około 3%.
[1] E. Franquet, V. Perrier, S. Gibout, P. Bruel, Free underexpanded jets in a quiescent medium: A review, Progress in Aerospace Sciences, Volume 77, 2015
[2] https://hytunnel.net/, Deliverable D2.3 Final report on analytical, numerical and experimental studies on hydrogen dispersion in tunnels, including innovative prevention and mitigation strategies
[3] S. Crist, P.M. Sherman, and D.R. Glass. Study of the highly underexpanded sonic jet. AIAA Journal, 4:68–71, 1966.
[4] A. L. Addy. Effects of axisymmetric sonic nozzle geometry on Mach disk characteristics. AIAA Journal, 19(1):121–122, 1981
Od dysku Macha do stref zagrożenia: jak CFD wspiera analizę wycieków wodoru
Rysunek 2. Liczba Macha na wylocie wodoru z dyszy. Linie oddalone są od siebie o 1 mm.
Etap 2.
W kolejnym etapie wyeksportowano dane opisujące przepływ na płaszczyźnie oddalonej o 1 cm od dyszy i uśredniono je radialnie.
Rysunek 3. Przykład uśrednionego profilu prędkości w odległości 1 cm od dyszy.
Usunięcie obszaru domeny obliczeniowej, w której występowały fale uderzeniowe, pozwala na rozrzedzenie siatki i przyspieszenie zbiegania się obliczeń.
Poniższy wykres przedstawia rozkład stężenia objętościowego wodoru w osi dyszy. Niebieska krzywa obrazuje pomiary podczas eksperymentu. Punkty pomiarowe to średnie wartości podczas testu trwającego 60 sekund, a słupki błędów obejmują minimalne i maksymalne wartości zmierzone podczas tego okresu. Niepewność pomiarowa czujników nie jest przedstawiona, ale dla mierzonych zakresów błąd względny wynosi około 1%.Złote punkty przedstawiają wyniki symulacji CFD.
Poniżej profile stężenia wodoru w płaszczyźnie prostopadłej do strumienia.
Wyniki symulacji numerycznych lekko przeszacowują stężenie wodoru w osi dyszy, co świadczy o niedoszacowaniu mieszania z powietrzem. Powodem może być wiele niewiadomych, w szczególności warunki przepływu wymuszonego przez wentylator: profil prędkości, zawirowanie przepływu, parametry turbulencji. Mimo to, uzyskano dobrą zgodność wyników numerycznych z danymi eksperymentalnymi zarówno pod względem trendów, jak i wartości bezwzględnych.
6. Podsumowanie
Przeprowadzona analiza pokazuje, że symulacje CFD stanowią skuteczne narzędzie do przewidywania rozkładu stężenia wodoru zarówno w bezpośrednim sąsiedztwie wycieku, jak i w dalszym polu przepływu.
Zastosowanie podejścia z dyszą zastępczą, opartego na uprzedniej symulacji strefy przy dyszy lub zastosowaniu empirycznych profili prędkości, pozwala znacząco ograniczyć koszt obliczeniowy bez utraty istotnych informacji o strukturze strugi i procesie mieszania.
Porównanie wyników numerycznych z danymi eksperymentalnymi wskazuje na dobrą zgodność jakościową i ilościową – zarówno w zakresie lokalizacji dysku Macha, jak i rozkładów stężenia wodoru. Obserwowane przeszacowanie stężenia w osi strugi sugeruje jednak niedoszacowanie intensywności mieszania turbulentnego, co podkreśla istotność poprawnego odwzorowania warunków wlotowych, w szczególności parametrów turbulencji i charakterystyki przepływu wymuszonego, nie zmierzonych podczas eksperymentu.
Z punktu widzenia zastosowań inżynierskich oznacza to, że odpowiednio zwalidowane modele CFD mogą być wykorzystywane do:
- wyznaczania zasięgu stref palnych,
- analizy scenariuszy awaryjnych w przestrzeniach zamkniętych,
- wspierania projektowania systemów wentylacji i detekcji wodoru.
W praktyce przemysłowej CFD staje się tym samym elementem procesu projektowego ukierunkowanego na bezpieczeństwo systemów wodorowych.
Jesteśmy autoryzowanym partnerem firmy Siemens
Firma:
Dane kontaktowe:
kontakt@fourraven.pl
+48 602 301 222
Fourraven Sp. z o. o.
ul. Zamknięta 10 /1.5
30-554 Kraków
© Fourraven 2025-2026