ITER-FEAT Accident Analysis on Hydrogen Detonation Using DET3D and GASFLOW

Abstract

Computer analyses have been performed to assess the dynamic pressure loads to the ITER-FEAT vessel during a conservative accident scenario assuming air ingress, production of 5 kg hydrogen, formation of a local stoichiometric hydrogen-air mixture, and ignition of a local detonation. The mechanical loads from the detonation to the vessel and the ports were investigated with two different 3D-codes, DET3D and GASFLOW, to study the effects from the grid geometry, the spatial resolution, the type and order of the numerical solver. Both codes were validated against experimental data. A geometry model of the ITER-FEAT vessel was developed for each code and used for numerical simulation of the generated pressure loads. The peak pressure values resulting from the calculations depend mainly on the angle of incidence of the detonation wave with respect to the confining surface. Pressures of about 10 bar were predicted for side-on orientation (wave surface perpendicular to the structure), and 25 bar for normal reflection. The best results were obtained with an explicit, second-order solver, Cartesian grid, and high spatial resolution (DET3D, 2.2 million cells). The reflected impulses calculated for the 5kg-H₂-detonation (5 kPa s) correspond roughly to the collision of a passenger car at medium traffic velocity, a value which compares well with results obtained from 1D-calculations. As for the gas temperatures, values up to 3500 K have been calculated.

ITER-FEAT Unfall-Analyse zur Wasserstoff-Detonation mit DET3D und GASFLOW

Zusammenfassung

Im Rahmen von ITER-FEAT wurden Computeranalysen durchgeführt, um die dynamischen Druckbelastungen des ITER-FEAT-Behälters für ein konservativ angenommenes Unfallszenario mit Lufteintritt abzuschätzen, bei dem gleichzeitig freigesetzte 5 kg Wasserstoff in einem lokal gebildeten stöchiometrischen Luft-Wasserstoffgemisch zünden. Die durch die Detonation entstehende Druckbelastung von Vakuumbehälter und Ports wurde mit den beiden unterschiedlichen 3D-Codes DET3D und GASFLOW untersucht, um die Auswirkungen von Netzgeometrie, räumlicher Auflösung sowie Art und Ordnung der numerischen Löser zu studieren. Beide Codes wurden mit experimentellen Daten validiert. Zur numerischen Simulation der erzeugten Drucklasten wurde für jeden Code ein Geometriemodell von ITER-FEAT entwickelt. Die berechneten Druckspitzen hängen hauptsächlich vom Auftreffwinkel der Druckwellen auf die begrenzenden Oberflächen ab. Für seitliches Auftreffen (Wellenfront senkrecht zur Struktur) wurden 10 bar, für senkrecht reflektierte Druckwellen 25 bar ermittelt. Die besten Ergebnisse erzielte ein expliziter Löser zweiter Ordnung mit kartesischem Netz und hoher räumlicher Auflösung (DET3D, 2.2 Millionen Zellen). Für die Detonation von 5 kg H₂ wurden reflektierte Impulse berechnet, die etwa dem Aufprall eines Pkw bei mittlerer Fahrgeschwindigkeit entsprechen (5 kPa s), ein Wert, der mit den Ergebnissen von 1D-Rechnungen gut übereinstimmt. Als Gastemperaturen ergaben sich Werte bis zu 3500 K.