Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 6993
Transient Dynamic Finite Element Analysis of Hydrogen
Distribution Test Chamber Structure for Hydrogen Combustion Loads
R.-K. Singh, R. Redlinger, W. Breitung
Abstract
Design and analysis of blast resistant structures is an
important area of safety research in nuclear, aerospace, chemical process and
vehicle industries. Institute for Nuclear and Energy Technologies (IKET) of
Research Centre- Karlsruhe (Forschungszentrum Karlsruhe or FZK) in Germany is
pursuing active research on the entire spectrum of safety evaluation for efficient
hydrogen management in case of the postulated design basis and beyond the
design basis severe accidents for nuclear and non-nuclear applications. This
report concentrates on the consequence analysis of hydrogen combustion
accidents with emphasis on the structural safety assessment. The transient
finite element simulation results obtained for 2gm, 4gm, 8gm and 16gm hydrogen
combustion experiments concluded recently on the test-cell structure are described.
The frequencies and damping of the test-cell observed during the hammer tests
and the combustion experiments are used for the present three dimensional
finite element model qualification. For the numerical transient dynamic
evaluation of the test-cell structure, the pressure time history data computed
with CFD code COM-3D is used for the four combustion experiments. Detail
comparisons of the present numerical results for the four combustion experiments
with the observed time signals are carried out to evaluate the structural connection
behavior. For all the combustion experiments excellent agreement is noted for
the computed accelerations and displacements at the standard transducer locations,
where the measurements were made during the different combustion tests. In
addition inelastic analysis is also presented for the test-cell structure to
evaluate the limiting impulsive and quasi-static pressure loads. These results
are used to evaluate the response of the test cell structure for the postulated
over pressurization of the test-cell due to the blast load generated in case of
64 gm hydrogen ignition for which additional sets of computations were
performed. The computational results are also confirmed with the simplified
analytical computations for the structural dynamic behavior and collapse load
prediction for the quasi-static and impulsive loading of the test-cell structure.
Eine transiente,
dynamische, finite-element Analyse der Wasserstoffverteilungs-Prüfzelle unter
Wasserstoffverbrennungslasten
Zusammenfassung
Entwurf und Analyse von
explosionsresistenten Strukturen ist ein wichtiges Gebiet in der Sicherheitsforschung
der Nuklear-, Luftfahrt-, Fahrzeug- und Chemie-Industrie. Das Institut für
Kern- und Energietechnik (IKET) des Forschungszentrums Karlsruhe (FZK) betreibt
aktive Forschung über das ganze Spektrum der Sicherheitsmaßnahmen zum
effizienten Management eines postulierten, schweren Wasserstoffunfalls in
nuklearen und nichtnuklearen Anlagen. Der vorliegende Bericht beinhaltet eine
Folgeabschätzung von Wasserstoffverbrennungsunfällen mit Schwerpunkt auf der
Strukturanalyse. Die Ergebnisse der transienten, finite-element Simulationen,
die für Verbrennungsexperimente mit 2, 4, 8 und 16 Gramm Wasserstoff in einer
Prüfzelle erhalten wurden, werden beschrieben. Die Frequenzen und
Dämpfungsfaktoren der Prüfzelle, die während der Hammer- und Verbrennungs-Experimente
beobachtet wurden, werden für die Kalibrierung eines 3- dimensionalen
finite-element Modells verwendet. Für die numerische, transiente, dynamische Untersuchung
des Verhaltens der Prüfzellenstruktur während der vier Verbrennungsexperimente werden
die vom CFD-Code COM3D berechneten Druck-Zeit-Verläufe benutzt. Detaillierte
Vergleiche der numerischen mit den experimentell erhaltenen Daten werden zur
Validierung der modellierten Strukturverbindungen verwendet. Für alle vier Experimente
zeigt sich an den Standard-Druckaufnehmerpositionen eine sehr gute Übereinstimmung
der berechneten Beschleunigungen und Verschiebungen. Zusätzlich wird auch noch
eine inelastische Analyse der Prüfzellenstruktur vorgestellt, mit der
begrenzende dynamische und quasi-statische Drucklasten abgeschätzt werden
können. Diese Ergebnisse werden dann dazu benutzt, um das Verhalten der
Prüfzelle unter Explosionslasten, die durch (numerische Simulation einer)
Zündung von 64 Gramm Wasserstoff erzeugt werden, vorherzusagen. Die so
erhaltenen Resultate werden auch von einfachen analytischen Abschätzung
bestätigt, mit denen das dynamische Verhalten und die Bruchlasten der Prüfzellen
angenähert vorhergesagt werden können.
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