One of critical regulation issues for the development of a Very High Temperature Reactor (VHTR) with a hydrogen production facility is the safety distance between a VHTR and a hydrogen production facility. Through the investigation of other countries’ regulations and research strategies for establishing the safety distance, we identified an accident scenario, overpressure limits for a structure or a human, and an overpressure prediction method using correlations or a CFD analysis method as the parameters needed for the estimation of the safety distance between a VHTR and a hydrogen production facility. Among the empirical correlation approaches to determine an appropriate safety distance, we found that overpressure predictions by the Multi-Energy Method (MEM) are better than those of other methods because the MEM has a reasonable peak pressure calculation method accounting for various obstacle geometries. However, the MEM has a drawback for predicting the overpressure of hydrogen explosions in the absence of an obstacle structure because the MEM does not have a proper empirical correlation for such circumstances. In addition, the MEM does not predict an asymmetric explosion phenomenon due to a complicated geometry and a hydrogen explosion at fuel lean and fuel rich conditions.
We developed a CFD analysis methodology using a Computational Fluid Dynamics (CFD) code for predicting the overpressure of hydrogen explosion and pressure wave propagation toward the VHTR. We found out that a CFD code with a turbulent combustion model and one-step chemical reaction such as an Eddy Dissipation Model (EDM) can be a useful tool to predict an overpressure buildup due to obstacle geometry in a hydrogen explosion: the CFD code with the EDM can sufficiently simulate the flame acceleration due to turbulence generation near the obstacle in a proper computational time. We also developed a spark ignition model to simulate a high ignition energy of 40 J induced by an electric device for 0.002 s in the tests based on an energy conservation law.
We established the CFD analysis methodology consisting of the following numerical models and methods:
?? Solver algorithm: pressure base coupled algorithm (ANSYS CFX-11)
?? Convection term discretization method: high resolution 2nd order
?? Transient scheme: backward Euler 2nd order
?? Turbulent model: standard k-ε model
?? Scalable wall function model
?? Mesh length in the grid model: 10% of the pitch in an array of a steel tube
?? Approximately equal to a large length scale of eddy
?? Hexahedra mesh type
?? Time step size in the transient calculation: ≤ 1.0 × 10-5 s
?? CFL < about 1.2
?? Combustion model: Eddy Dissipation Model (EDM)
?? EDM constants of A = 10 and B = 0.8 for the stoichiometric condition (H2 30%)
?? EDM constants of A = 7 and B = 0.8 for the fuel lean (H2 20%) and fuel rich conditions (H2 58%)
?? EDM constant of A may vary according to the amount of the combustion energy with respect to that of the stoichiometric condition
?? Ignition model: spark ignition model for 40 J on the basis of the energy conservation
?? The spark ignition model can start the turbulent combustion
?? Ambient temperature should be accurately considered as the initial condition
Through the comparison of the simulated results with the test results performed by Stanford Research institute (SRI) International, we found out that the proposed CFD analysis methodology enables us to predict the flame front time of arrivals and peak overpressure within an error range of about ±30%. In addition, through the study we better understood the important physical phenomena of hydrogen explosion due to the small-scale obstacle through comparison between the CFD results and the test results. This obstacle structure generally splits a hydrogen flame and increases a flame front surface area by turbulence generation. During this process, the obstacle structure may delay the pressure wave propagation and give rise to a superposition of a pressure waves generated from split flame front surfaces where the hydrogen-air chemical reaction takes place. This superposition or the effect of obstacle may increase an overpressure to a higher value than a detonation overpressure predicted by the Chapman-Jouguet (C-J) theory even though a flame speed does not increase to a detonation speed predicted by the C-J theory.
In order to confirm the applicability of the developed CFD analysis methodology to the evaluation of the safety distance between a VHTR and a hydrogen production facility, we conducted the CFD analysis for the HTTR and the hydrogen production facility in JAEA. Due to a lack of detailed information such as pipe configurations in the hydrogen production facility, we used the small-scale obstacle configuration and other test conditions used for the simulations of the SRI’s hydrogen explosion tests to reduce the uncertainty of the peak overpressure predicted by the CFD analysis. Four accident scenarios for a hypothetical hydrogen explosion were selected to confirm that the application results predicted by the developed CFD analysis methodology are physically reasonable. The application results according to the four accident scenarios show that the developed CFD analysis methodology can be sufficiently applied to evaluate the safety distance between a VHTR and a hydrogen production facility.
한국원자력연구원에서는 수소생산설비와 연계된 초고온가스로를 개발하고 있다. 초고온가스로 개발과 관련된 중요한 인허가 규정 중의 하나는 초고온가스로와 수소생산설비 사이의 안전거리이다. 이 안전거리를 선정하기 위해서, 안전거리와 관련된 여러 나라의 인허가 규정과 연구방향을 조사하였다. 조사한 결과에 의하면, 안전거리를 선정하기 위해서는 수소폭발 사고 시나리오, 사람 또는 건물에 대한 과압 (overpressure) 기준 및 과압을 예측할 수 있는 상관식이나 CFD 해석방법이 필요함을 확인하였다. 그래서 메탄가스와 같은 탄화수소 가스폭발시 과압 예측에 사용되는 상관식 방법들을, 미국 SRI에서 수행한 수소폭발 실험결과에 대해서 적용해 보았다. 실험에서 측정한 과압 데이터와 상관식으로 예측한 과압 값을 비교한 결과에 의하면, 수소폭발에 가장 적합한 상관식 방법은 Multi-Energy Method (MEM) 임을 확인하였다. 그 이유는 MEM 방법은 수소폭발시 다양한 구조물 (obstacle)에 의해서 수소화염이 가속되어 발생하는 첨두 과압 (peak overpressure)을 비교적 정확히 예측할 수 있는 실험 상관식이 있기 때문이다. 그러나 MEM 방법은 구조물이 없는 곳에서 수소폭발이 발생하는 경우와 수소와 공기의 혼합 당량비 1인 수소농도 30% 외의 다른 농도에서는 적용할 수 없는 단점이 있다. 또한, 수소폭발이 복잡한 구조물 사이에서 발생하여 압력파가 비대칭적으로 진행되는 경우에는 과압예측 능력이 현저히 떨어질 수도 있다.
그래서 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics)을 이용해서 수소생산 설비에서 수소폭발시 과압 상승과 초고온가스로로 전파되는 압력파의 크기를 예측할 수 있는 CFD 해석방법론을 개발하였다. 본 CFD 해석방법론을 개발함에 있어서, 가장 중요한 요건 중의 하나는 CFD 해석에 소요되는 계산시간을 단축하는 것이다. 그 이유는 계산시간이 오래 걸리면, 약 100 m 정도로 예상되는 안전거리 평가에 CFD 해석방법이 효과적으로 사용될 수 없기 때문이다. 그래서 ANSYS CFX-11에 내장되어 있는 난류연소모델인 Eddy Dissipation Model (EDM)과 수소-공기 단일화학 방정식을 사용하였다. EDM은 수소-공기 연소반응의 진행은 반응물과 생성물 사이의 난류유동 혼합률 (turbulent mixing rate)에 의해서 지배된다라는 가정 하에 개발되었다. 또한 CFX-11은 수소폭발 현상에서 중요한 유동현상인 구조물 근처에서의 난류생성과 Ma 수 5 - 6 정도의 초음속유동에 대해서는 이미 예측능력이 검증되어 있다. 따라서 CFX-11의 EDM 난류연소모델을 사용하면, 수소폭발이 구조물 근처에서 발생할 때 난류생성으로 인한 수소화염가속과 이로 인한 과압 상승을 적절한 계산시간 내에서 잘 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 더구나 CFD 해석은 격자모델 생성시 3차원의 기하학적인 정보를 정밀히 반영할 수 있기 때문에, 비대칭적인 수소폭발 현상도 잘 예측할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 수소농도의 변화에 따른 수소폭발 현상도 초기조건 설정 등을 통해서 반영할 수 있을 것으로 판단된다.
그러나 CFD 해석은 격자모델의 셀 크기, 난류모델 및 천이계산의 시간간격 등에 따라서 CFD 해석결과가 변화할 수 있다. 또한 EDM 난류연소모델의 상수는 반응물 기체의 종류에 따라서 변화할 수 있기 때문에, 수소-공기 연소반응에 적합한 모델상수가 필요하다. 이와 같은 CFD 해석의 단점을 보완하기 위해서, SRI 수소폭발 실험에 대해서 CFD 해석에 영향을 줄 수 있는 인자들을 변화시키면서 CFD 민감도 해석을 수행하였다. 실험에서 측정한 화염속도 도달시간과 과압 데이터에 대해서 CFD 해석결과를 비교하여 CFD 해석방법론을 확립하였다. 또한, 수소폭발 실험에서 0.002 초 동안에 전기 spark에 의해서 주입된 점화에너지 40 J을 모사할 수 있는 spark ignition model을 에너지 보존법칙을 사용하여 개발하였다. 개발된 수소폭발 CFD 해석방법론은 아래와 같으며, 실험결과와 비교했을 때의 오차범위는 약 ±30% 이다.
?? Solver algorithm: pressure base coupled algorithm
?? 대류항 차분방법: high resolution 2차 정확도
?? 천이항 차분방법: backward Euler 2차 정확도
?? 난류모델 및 벽법칙: standard k-ε model
?? scalable wall function
?? 격자모델의 셀 크기 및 형태: small-scale obstacle (MERGE type) 간격의 10%
?? Eddy의 large length scale과 유사함
?? Hexahedra mesh type
?? 계산시간 간격크기: 1.0 ⅹ 10-5 초 이하
?? CFL < 약 1.2
?? 연소모델: Eddy Dissipation Model (EDM)
?? EDM 상수 A = 10, B = 0.8 (수소-공기 혼합당량비 1, H2 30%)
?? EDM 상수 A = 7, B = 0.8 (H2 20%, H2 58%,)
?? EDM 상수 A는 연소에너지 양에 비례하여 변화할 수 있음
?? 점화모델: 40 J에 대해서 에너지보존 법칙을 적용하여 spark ignition model 개발
?? Spark ignition model는 CFD 해석이 난류연소 영역에서부터 시작하도록 해줌
?? 수소폭발 CFD 해석시 초기 온도 (ambient temperature) 선정에 주의해야 함
수소폭발 실험결과와 CFD 해석결과를 비교하면서, 작은 규모의 구조물 (small-scale obstacle)이 수소폭발에 미치는 영향을 상세히 이해할 수 있었다. 구조물은 일반적으로 수소-공기 연소반응시 난류를 생성하여 연소 경계면을 확장시키고 화염전파를 가속시키서 과압을 상승시킨다. 그 외에도, 연소반응 때 발생되는 압력파의 진행을 늦추어 수소-공기 혼합물의 밀도를 상승시킨 후 순간적으로 수소-공기 연소반응이 일어나면서 급격한 팽창이 발생하게 함을 확인하였다. 또한 이런 수소폭발동안 여러 곳에서 발생한 압력파가 서로 중첩하여, 화염속도는 Chapman-Jouguet (C-J) 폭굉이론 값보다 낮지만 압력은 C-J 이론 값 이상으로 상승할 가능성이 있음을 확인하였다. 그러나 이 현상을 증명하기 위해서는 수소폭발 실험에서 압력파가 중첩되는 현상을 사진으로 촬영해서 확인해야 될 것으로 판단된다.
개발된 수소폭발 CFD 해석방법론이 실제 초고온가스로와 수소생산설비에 적용될 수 있는 지를 평가하기 위해서, 일본 JAEA의 수소생산설비와 고온가스로 연구로 (HTTR)에 적용해 보았다. 수소폭발 과정은 수소생산설비 주변의 배관위치 정보를 구할 수 없었기 때문에, SRI 수소폭발 실험에서 사용된 작은규모의 구조물과 실험조건을 인용하여 수소폭발이 수소생산설비 주변에서 발생한다고 가정하였다. SRI 수소폭발 실험에서 관찰된 수소폭발 특성을 구현할 수 있는 4가지의 가상적인 사고시나리오에 대해서 CFD 해석을 수행하였다. CFD 해석결과에 의하면, CFD 해석이 수소폭발로 인한 압력파의 전파 특성을 물리적으로 타당하게 잘 예측하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구를 통해서 개발된 CFD 해석방법은 초고온가스로와 수소생산설비 사이의 안전거리를 평가하는데 유용하게 사용될 수 있음을 확인하였다.
