Multidimensional modelling of multiphase reactive mixtures

[SPA] La presente Tesis Doctoral está dedicada al estudio de los fenómenos relacionados con la movilización de partículas y su reacción de forma violenta en atmósferas reactivas, así como la implementación de estos fenómenos en un código computacional capaz de simular ondas de choque y detonaciones. Se pretende que este código pueda proporcionar, con suficiente fiabilidad, predicciones sobre explosiones en sistemas bifáscos cerrados, que pudieran ser empleadas en estudios de evaluación de seguridad en centrales nucleares. Este código, en particular, se desarrolla en el marco de un programa de colaboración entre el IRSN (Institut de Radioprotection et Sûreté Nucléaire, de Francia) y la Universidad Politécnica de Cartagena, en España. El objetivo de esta colaboración es desarrollar una herramienta de simulación sólida y precisa, con el fin de proporcionar datos para el análisis de seguridad del reactor de fusión nuclear ITER, basándose en determinados eventos de referencia estipulados en las bases técnicas del proyecto [94]. A partir de aquellos eventos de referencia, el problema en que nos centramos es el caso de una pérdida de vacío en la vasija del reactor (o LOVA por sus siglas en inglés), cuyos detalles se describen en las Especificaciones de Seguridad del proyecto ITER [95]. Este supuesto considera un ingreso de aire en la vasija del reactor, provocando una presurización del mismo y una onda de choque. A consecuencia del súbito incremento de temperatura, se generaría hidrógeno, que podría reaccionar de forma violenta con el aire. De forma simultánea, ciertas cantidades de polvo de berilio, carbono y wolframio, presentes en el interior del reactor, podrían reaccionar en forma de una deflagración o detonación. Por lo tanto, como primer paso en esta Tesis Doctoral, se ha realizado un estudio bibliográfico exhaustivo acerca de modelos matemáticos, buscando el modelo de ecuaciones que más se adapta al problema multifásico y reactivo que queremos estudiar. Además, se ha reunido un compendio de leyes de cierre para los sistemas de ecuaciones, incluyendo leyes de combustión para las especies químicas presentes en el problema (hidrógeno, monóxido de carbono y polvo de berilio, wolframio, carbono y aluminio). A partir de esta búsqueda se han seleccionado modelos de cinética química que han sido implementadas en el sistema de ecuaciones de conservación. Después de este estudio mayoritariamente teórico, se dedica una porción importante de esta tesis al estudio de los métodos para la resolución numérica del problema. La elección del método numérico no es un asunto trivial, pues la mayoría de las aproximaciones normalmente utilizadas en la resolución de sistemas en derivadas parciales se vuelven inestables en presencia de discontinuidades, tales como ondas de choque. En consecuencia, varios métodos numéricos son aquí analizados. Basándonos en el método de volúmenes finitos de primer y segundo orden, se ha testeado un conjunto de esquemas de Riemann aproximados (AUSM+, Roe, Rusanov, VLH), tanto para la fase gaseosa como la de las partículas. A continuación, se trata en detalle la resolución de los términos fuente. A este respecto, el uso de métodos de resolución por separado han resultado ser muy acertado, pero incluso estas aproximaciones fallan si el problema se vuelve numéricamente rígido. Por consiguiente, se ha desarrollado una nueva metodología para el tratamiento de estos términos en condiciones numéricamente adversas. La implementación de estos avances en el código se ha validado con diferentes test bifásicos mediante su comparación con datos experimentales publicados en la bibliografía. Entre estos test, nos centramos en experiencias realizadas en sistemas cerrados, que se han reproducido en 1D y se han extendido posteriormente a 2D y 3D. Finalmente, en un dominio computacional 3D, que reproduce fielmente la geometría de la vasija del reactor ITER, se ha simulado la movilización de partículas bajo el supuesto de LOVA y se proporcionan resultados de la fracción de polvo movilizada.

Author

• Otón Martínez, Ramón Antonio

• Tecnología de la combustión
• Mecánica de fluidos
• Aerodinámica
• Ordenadores analógicos
• Solid particles
• Gas mixtures
• Dust explosion
• Shock waves

Identifier

hdl:10317/4645

OAI identifier oai:identifier

oai:repositorio.upct.es:10317/4645