Simulation numérique de l'atténuation de l'explosion d'hydrogène par pulvérisation d'eau

Numerical simulation of the attenuation of hydrogen explosion by spraying water

• Auteur / Autrice : Chethan Siddappa
• Direction : Abdellah Hadjadj, Hugo Safdari shadloo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 26/02/2025
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Sochet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdellah Hadjadj, Georges Jourdan, Ashwin Chinnayya, Guodong Gai, Benjamin Truchot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Jourdan, Ashwin Chinnayya

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Évaporation

Atomisation

Simulation numérique directe

Hydrogène

Ondes de choc

Mots clés libres

Atténuation des explosions

Ecoulements multiphasiques

Particules/gouttelettes polydispersées

Interaction onde de choc-spray

Évaporation des gouttelettes

Transfert thermique

Shock waves

Explosion mitigation

Multiphase flow

Polydispersed particles/droplets

Eulerian-Lagrangian

Direct numerical simulation

Shock-Spray interaction

Evaporation of droplets

Heat transfer

Résumé

Les ondes de choc à haute pression sont cruciales dans de nombreux processus industriels et environnementaux impliquant l'énergie hydrogène. Les explosions d'hydrogène posent des risques importants pour les structures et la sécurité humaine, faisant des systèmes de pulvérisation d'eau une solution essentielle, notamment pour le confinement des réacteurs nucléaires. Ce manuscrit étudie les interactions entre les ondes de choc et les sprays d'eau pour atténuer les explosions d'hydrogène à l'aide de modélisations multiphasiques avancées. Les premières simulations numériques dans des configurations unidimensionnelles et bidimensionnelles se concentrent sur le transfert de quantité de mouvement, en analysant les forces de traînée exercées sur des particules polydispersées dans des mélanges d'air et d'air-hydrogène. Un modèle théorique d'ordre réduit a été développé pour étudier la topologie de dispersion, validé par des simulations numériques directes. Les résultats montrent que les nuages de particules polydispersées améliorent significativement l'atténuation des ondes de choc par rapport aux configurations monodispersées, avec des diamètres plus petits et une plus grande déviation standard σ produisant des effets plus marqués. Des fractions volumiques de particules plus élevées Ƭv,₀ amplifient davantage l'atténuation. Un nombre de Mach incident critique (Mₛ < 2,8) a été identifié, où l'onde de choc transmise passe de l'état supersonique à subsonique. En développant l'investigation initiale du transfert de quantité de mouvement lors des interactions entre les ondes de choc et les gouttelettes, la phase suivante de l'étude introduit des mécanismes de transfert de chaleur et d'évaporation pour analyser de manière exhaustive l'atténuation des ondes de choc multiphasiques. Les résultats révèlent que l'intégration du transfert de chaleur et de l'évaporation améliore considérablement l'atténuation des ondes de choc, avec des petites gouttelettes dans des configurations hautement polydispersées et denses favorisant une évaporation plus rapide grâce à leur surface cumulative plus grande, conduisant à une dissipation efficace de l'énergie et à une atténuation améliorée. L'analyse montre une relation linéaire entre le nombre de Mach de choc transmis à saturation (Mₛₜ)ₛₐₜ et le nombre de Mach incident Mₛ. Une corrélation empirique a été développée pour prédire (Mₛₜ)ₛₐₜ en fonction du nombre de Mach incident Ms et du diamètre des gouttelettes. Ce travail offre une analyse approfondie des interactions multiphasiques dans les environnements chargés de gouttelettes et souligne l'efficacité des sprays d'eau comme stratégie pour réduire les risques d'explosion d'hydrogène dans les contextes industriels et nucléaires.

High-pressure blast waves are critical in many industrial and environmental processes involving hydrogen energy. Accidental shock waves from hydrogen explosions pose significant risks to structural integrity and human safety, making water spray systems a vital strategy for mitigating such hazards, particularly in nuclear reactor containment scenarios. This manuscript investigates shock-spray interactions to mitigate hydrogen explosions through advanced multiphase modeling. The study examines the coupled effects of momentum, heat, and mass transfer during shock-wave interactions with water sprays, a proven strategy for explosion attenuation. Initial numerical simulations in one- and two - dimensional configurations focus on momentum transfer, analyzing drag forces on polydisperse particles in air and hydrogen-air mixtures. A reduced-order theoretical model is developed to study dispersion topology, validated against direct numerical simulations. Results show that polydisperse particle clouds significantly enhance shock attenuation compared to monodisperse ones, with smaller diameters and higher standard deviation σ exhibiting stronger effects. Greater particle volume fractions Ƭv,₀ further amplify attenuation. A critical incident Mach number (Mₛ< 2.8) is identified, where the transmitted shock transitions from supersonic to subsonic states. Expanding upon the initial investigation of momentum transfer during shock-droplet interactions, the subsequent phase of the study introduces heat transfer and evaporation mechanisms to comprehensively analyze multiphase shock wave attenuation. The results reveal that incorporating heat transfer and evaporation significantly enhances shock attenuation, with smaller droplets in highly polydisperse and dense configurations promoting faster evaporation due to their larger cumulative surface area, leading to efficient energy dissipation and improved mitigation. The analysis reveals a linear relationship between the saturated transmitted shock Mach number, (Mₛₜ)ₛₐₜ, and the incident Mach number, (Mₛ). An empirical correlation was developed to predict (Mₛₜ)ₛₐₜ as a function of incident Mach number (Mₛ) and droplet diameter. This work provides a detailed understanding of multiphase interactions in droplet-laden environments and highlights the potential of water sprays as a robust mitigation strategy for hydrogen explosion risks in industrial and nuclear safety contexts.