Μοντελοποίηση διασποράς υδρογόνου και άλλων ανωστικών αερίων σε κλειστούς χώρους με τη μεθοδολογία της υπολογιστικής ρευστομηχανικής

Abstract

This thesis presents the assessment and validation of the Computational Fluid Dynamics code ADREA-HF to H2 release and dispersion in enclosures. Numerical studies of experiments of H2 (or He for safety reasons) release and dispersion in enclosures with natural ventilation are presented with the aim to assess the predictions of the turbulence models and the effects of numerical practises in general such as the characteristics of the grid and the boundary conditions applied, to propose best practise guidelines. Additionally, the thesis proposes an overall assessment of the ventilation efficiency based on the simulations and experiments and compares the predictions of the ventilation rates by means of simplified relationships and CFD results. Applications of the code into realistic scenarios in complex geometries are given next. In this part, the effect of the H2 release direction with respect to the obstacles and the wind to the temporal and spatial H2 distribution in refueling stations is being investigated. Furthermore, a Risk Assessment methodology on a predefined hypothetical gaseous H2 refuelling station is described giving emphasis to the quantitative analysis performed using the ADREA-HF code. The most influential, to the risk, parameter was the characteristics of the H2 release. Moreover, large differences were found in the evaluation of the risk in terms of distances of damage by using the results of the widely applied to the industry simplified tool Effects 7.6 and the CFD code ADREA-HF. Comparisons of CFD codes and simpified models is necessary in order to identify and quantify the application limits and the accuracy of each methodology. Finally, it is strongly suggested to propose a harmonized methodology for risk assessment analysis in order to safely introduce H2 as an energy carrier to the market

Σ’ αυτήν τη διατριβή παρουσιάζεται ο έλεγχος της αξιοπιστίας και καταλληλότητας του υπολογιστικού κώδικα CFD ADREA-HF για τη μελέτη σεναρίων έκλυσης και διασποράς Η2 σε κλειστούς χώρους. Παρουσιάζονται υπολογιστικές μελέτες πειραμάτων έκλυσης και διασποράς Η2 (ή He ως υποκατάστατο για λόγους ασφάλειας) σε κλειστούς χώρους με φυσικό αερισμό παρουσία εμποδίων με στόχο τόσο την εκτίμηση των προβλέψεων των μοντέλων τύρβης όσο σε γενικότερο πλαίσιο, τη μελέτη της επίδρασης των υπολογιστικών πρακτικών όπως τα χαρακτηριστικά του πλέγματος και οι οριακές συνθήκες προκειμένου να προταθούν οδηγίες καλής πρακτικής. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια γενική εκτίμηση του φυσικού αερισμού και συγκρίνονται οι μέθοδοι υπολογισμού του με τη χρήση απλοποιημένων μοντέλων και υπολογιστικών μεθόδων. Στην δεύτερη ενότητα παρουσιάζονται εφαρμογές του κώδικα ADREA-HF σε ρεαλιστικά σενάρια με πολύπλοκες γεωμετρίες. Μελετάται η επίδραση του προσανατολισμού της έκλυσης σε σχέση με τα εμπόδια στο χώρο και αυτή του ανέμου στη χωρική και χρονική κατανομή του Η2, σεναρίων σε σταθμούς ανεφοδιασμού. Παρουσιάζεται επίσης μια μελέτη εκτίμησης του κινδύνου ενός σταθμού ανεφοδιασμού Η2 με έμφαση στην ποσοτική ανάλυση των επιπτώσεων των ατυχημάτων με τη χρήση του κώδικα ADREA-HF. Βρέθηκε ότι η παράμετρος που επηρεάζει περισσότερο το μέγεθος του κινδύνου είναι τα χαρακτηριστικά της διαρροής. Ακόμη, αναδεικνύονται σημαντικές διαφορές στην εκτίμηση του κινδύνου όταν τα δεδομένα προέρχονται από τον κώδικα ADREA-HF σε σχέση με αυτά από το απλοποιημένο μοντέλο Effects 7.6 το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία. Συγκρίσεις μεταξύ κωδίκων CFD και απλοποιημένων μοντέλων πρέπει να γίνουν στο μέλλον συστηματικά ώστε να αναδειχτούν τα όρια εφαρμογής και ακρίβειάς τους. Τέλος, κρίνεται αναγκαία η πρόταση μιας εναρμονισμένης μεθοδολογίας των μελετών εκτίμησης κινδύνου ώστε το Η2 να εισαχθεί στην αγορά ως φορέας ενέργειας με ασφάλεια.