Hydrogen injection in an air-filled two-vented cavity : numerical simulations, experimental comparisons and 1D modelling - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2021

Hydrogen injection in an air-filled two-vented cavity : numerical simulations, experimental comparisons and 1D modelling

Injection d'hydrogène dans une cavité à deux évents : simulation numériques, comparaisons expérimentales et modélisation 1D

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Abstract

Hydrogen is considered as one of the green and alternative energy sources because of its low CO2 emission. Due to the high risk of deflagration and detonation of air-hydrogen mixture, appropriate safety measures are required for its practical use. We are interested in a configuration modelling the distribution of hydrogen (or helium) in accidental release situation for confined environments. Direct numerical simulations (DNS) of a turbulent hydrogen jet in a two-vented cavity are performed, leading to the establishment of a bilayer hydrogen distribution with a homogeneous top layer on average. Numerical results are compared with Particle Image Velocimetry (PIV) measurements for validation. The flow is then analysed. In order to assess the relevance of the predictive ventilation models proposed in the literature to evaluate the installation safety, the DNS fields are integrated to calculate the characteristic quantities of the jet and of the hydrogen distribution. These results are compared to simplified natural ventilation models based on different turbulent jet models. These models are developed on the basis of a series of assumptions the validity of which is examined. The influence of the jet entrainment coefficient and its estimation methods are discussed, (i) in the context of turbulent jet models with constant or variable coefficient, (ii) under Boussinesq approximation or with consideration of the mixture density variation. Finally, modified formulations of the ventilation models are proposed to adapt them to the case of hydrogen injection in a two-vent cavity.
L'hydrogène est considéré comme une source d'énergie verte et alternative pour sa faible émission de CO2. En raison du risque élevé de déflagration et détonation du mélange air-hydrogène, des mesures de sécurité spécifiques sont nécessaires pour son utilisation pratique. Nous nous intéressons à une configuration modélisant la distribution d'hydrogène (ou d'hélium) en situation accidentelle pour des environnements confinés. Des simulations numériques directes (DNS) d'un jet turbulent d'hydrogène dans une cavité à deux évents sont réalisées, obtenant une distribution en bicouche de l'hydrogène avec un mélange homogène en moyenne en partie haute. Les DNS sont d'abord comparées à des mesures par vélocimétrie par images de particules (PIV) pour validation, puis l'écoulement est analysé. Afin d'estimer la pertinence des modèles prédictifs de ventilation proposés dans la littérature pour évaluer la sûreté des installations, les champs DNS sont intégrés pour calculer les grandeurs caractéristiques du jet et celles de la distribution d'hydrogène. Ces résultats sont comparés à des modèles simplifiés de ventilation naturelle basés sur différents modèles de jets turbulents. Ces modèles reposent sur une série d'hypothèses dont la validité est examinée. L'influence du coefficient d'entraînement du jet et des méthodes de son estimation sont discutées, (i) dans le cadre des modèles de jet à coefficient constant ou variable, (ii) sous l'approximation de Boussinesq ou en tenant compte des variations de masse volumique du mélange. Enfin, des formulations modifiées des modèles de ventilation sont proposées pour les adapter au cas d'une injection d'hydrogène dans une cavité à deux évents.
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tel-03850705 , version 1 (15-07-2021)
tel-03850705 , version 2 (14-11-2022)

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  • HAL Id : tel-03850705 , version 2

Cite

Yanshu Wang. Hydrogen injection in an air-filled two-vented cavity : numerical simulations, experimental comparisons and 1D modelling. Fluids mechanics [physics.class-ph]. Sorbonne Université, 2021. English. ⟨NNT : 2021SORUS552⟩. ⟨tel-03850705v2⟩
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