Industrial systems have their safety requirements. Preventing explosion is the one of the most important requirements because an explosion is able to destroy the entire system. A variety of explosive substances exist in the industrial systems such as carbon dust in a mine, methane gas evaporated in the LNG storage tank, hydrogen gas decomposed from cooling water in a nuclear power plant, and so on. A risk management is accomplished by numerical simulation as well as an experiment. It is important to provide reliable solutions in order to set the proper standard for the safety of the industrial systems.
There are two types of the explosion; deflagration and detonation. Deflagration is a combustion wave moving at a subsonic speed and detonation moves at a supersonic speed. Detonation is more dangerous because it is accompanied by a shock wave, then it has pressure values at least 4-times than deflagration’s one. Therefore, understanding of the detonation characteristics is necessary to prevent the worst accident scenario.
The detonation in an obstructed tunnel system has been investigated numerically in this study. The obstacles enable the combustion wave to accelerate and make flame front surfaces wrinkled. In practice, there are various pieces of equipment in industrial places and they act as the obstacles. Uniform stoichiometric hydrogen-oxygen mixtures in a confined channel were considered. A commercial CFD(Computational Fluid Dynamics) code FLUENT 6.3.26 was used to simulate the detonation situation. Two dimensional symmetric computational domain with obstacles was used. Also, finite-rate/eddy-dissipation model for reaction models and RNG k-ε model for turbulence modeling were used. For calculating flux term in Navier-Stokes equations AUSM+ scheme was used.
An obstructed channel was compared with the channel without obstacles in order to observe the DDT phenomena. Different initial conditions for a driver region were investigated to observe both detonation and DDT phenomena. To examine the effect of obstacle shapes, heights of the obstacles and distances between the obstacles were compared. An asymmetric obstructed channel was also investigated to observe the effect of an arrangement of obstacles.
산업 시설들은 각각의 안전 지침을 가지고 있다. 폭발로 인해 전체 시설물이 파괴될 수 있기 때문에 폭발 예방은 가장 중요한 안전 지침 중 하나이다. 광산의 탄소 입자, LNG 탱크의 기화된 메탄 가스, 핵발전시설에서 냉각수의 해리에 의한 수소 기체 등 산업 현장에는 다양한 형태로 폭발성 물질이 존재한다. 위험 관리(Risk Management)는 실험뿐만 아니라 수치적으로도 연구가 진행되고 있다. 산업 시설의 적절한 안전 기준을 설정하기 위해 수치적 결과는 신뢰할 수 있어야한다.
폭발은 폭연과 폭굉의 두가지 형태로 존재한다. 폭연은 아음속으로 전파되는 연소파인 반면, 폭굉은 초음속으로 전파한다. 폭굉은 충격파를 동반하기 때문에 폭연에 비해 최대 압력이 4배 이상 크므로 훨씬 위험한 폭발이다. 따라서 최악의 사고를 방지하기 위해 폭굉의 특성을 파악하는 것은 중요하다.
본 연구에서는 장애물이 있는 수평관에서의 폭굉 현상이 수치적으로 연구되었다. 장애물은 화염 표면적을 넓히고 연소파를 가속시킨다. 실제로 살업현장에는 다양한 구조물들이 설치되어있고, 이것들이 장애물의 역할을 한다. 막힌 공간내의 균일하게 분포된 수소-산소 혼합물이 고려되었다. 폭굉 시뮬레이션을 위해 상용코드 FLUENT 6.3.26을 사용하였다. 2차원 대칭 형상이 도메인으로 사용되었고, 연소를 위해서는 Finite-rate/Eddy-dissipation 모델이 사용되고, 난류에는 RNG k-ε 모델이 사용되었다. Navier-Stokes Equation의 유동항을 계산하기 위해서는 AUSM+ 기법이 사용되었다.
연소폭발천이 현상을 관찰하기 위해 장애물이 없는 공간과 장애물이 있는 공간이 비교되었다. 구동영역에 서로 다른 조건을 부여함으로써 폭굉과 연소폭발천이 현상을 모두 관찰하였다. 장애물의 형상의 영향을 살펴보기 위해 장애물의 높이 및 간격을 변화시켜가며 해석을 수행하였다. 장애물 배치의 영향을 살펴보기 위해 비대칭적으로 분포된 장애물이 비교 대상으로 해석되었다.
