压水堆严重事故下氢气火焰锋面特性及湍流加速机制研究

Large amount hydrogen will be generated during severe accident of pressurized water reactor nuclear power plant. Once the concentration of the hydrogen accumulates to a limit, the deflagration or the detonation will be induced by igniter with low energy deposition. The integrity of the equipments and inner components will be jeopardized, which will bring tremendous threat to the safety of nuclear power plant. In order to further reveal the dominant mechanics of flame acceleration process, the transient progress of flame surface will be captured by visual experimental technology under different obstacle characterics and initial gas compositions, which were primarily proved to have significant effects on the transient progress of combustion regime. Based on the visual experiment, more accurate mechanical model which can reflect hydrogen turbulence combustion process under large scale geometry will be established. The mechanical model will be incorporated into 3D numerical simulation platform and finally an advanced simulation methodology for hydrogen flame acceleration process will be constructed. It is of great of the mitigation of hydrogen risk for the expanding understanding of the hydrogen combustion process during containment, enhancing the management level of severe accident.

压水堆核电站在发生严重事故时将产生大量氢气，氢气混合可燃气体一旦进入安全壳并在局部聚集，将存在局部燃烧的风险。可燃混合气体局部燃烧过程中的加速行为可能引发爆炸，产生的冲击波将对反应堆设备和部件造成破坏，严重威胁核电站安全。目前，对受多因素影响的氢气火焰加速机制的认识仍然存在不足。本课题拟采用试验研究和理论研究相结合的方式，首先通过可视化试验观察障碍物和氢气浓度等关键因素在氢气火焰加速过程中对火焰锋面动态特性的影响，揭示安全壳局部特殊几何和环境条件下氢气火焰加速机制，建立湍流火焰加速燃烧速率机理模型，并构建三维数值模拟方法。研究所建立的氢气火焰加速机理模型和氢气燃烧分析方法将提高严重事故下氢气燃烧行为的分析能力，对缓解压水堆氢气风险，提升严重事故管理水平具有重要意义。

本项目重点针对压水型反应堆安全壳在严重事故条件下多组分可燃氢气混合气的火焰加速及爆燃-爆轰转变瞬态过程的物理机制、数值描述和数值模拟方法进行研究，采用机理试验和数值模拟相结合的方法，完成了以下研究内容：.（1）氢气湍流燃烧火焰加速过程可视化实验研究：在密闭圆形管式火焰加速实验装置上成功复现氢气-空气混合物在低能点火条件下，管内火焰受障碍物影响，由层流燃烧向湍流燃烧转变，引发火焰加速过程并最终发生爆轰的完整物理过程，获得了不同初始氢气浓度、障碍物几何参数（阻塞比、障碍物间距等）对湍流燃烧速度、压力载荷瞬变规律、混合物浓度变化、火焰锋面曲率变化等重要数据。.（2）湍流火焰峰面追踪法燃烧速率机理模型研究：基于气相预混燃烧学经典理论和所开展机理试验研究，建立了关联层流火焰燃烧速度、环境热力学参数（温度、压力）、流场特征参数（湍流强度、湍流特征长度）、气相扩散-燃烧反应区形状（火焰锋面曲率）的湍流燃烧火焰关系式。.（3）火焰加速过程三维数值模拟方法研究：在开源数值计算平台上，基于基于工程广泛应用的两方程湍流模式，将本研究得到的湍流燃烧速率关系式植入燃烧进程参量守恒方程，并联立欧拉守恒方程组模拟火焰加速过程，并与公开试验结果进行了对比。.（4）在上述工作的基础上，针对大空间安全壳氢气燃烧过程，建立了分析模型，得到了严重事故条件下安全壳内氢气燃爆瞬态产生的压力冲击波瞬变规律。.本研究成果为反应堆严重事故下氢气风险缓解策略研究及安全系统设计奠定理论基础。