高圧水素漏洩と自着火の数値解析

本件はAnsys社によって行われた解析で、直径5 mmの管から250 Bar、100 Bar、50 Barに圧縮された水素が大気に流出した際の自着火の有無について、LESによる非定常乱流解析を用いて検証されています。
この際、燃焼反応は有限速度反応モデルを用いて表現され、解析領域は周方向1 deg.と30 deg.の二つのパターンが用意されています。
また、効率的にメッシュの解像度を担保するためにAMR(Automatic Mesh Refinement)機能が使用されています。
本件では異なったタンク圧力での水素漏洩や自着火の様子が数値流体解析によって良く再現されており、250 Barでは自己着火が継続的に生じ、100 Barでは自己着火が維持されず途中で消炎、50 Barでは自己着火が生じないことが示されています。
この時、周方向1 deg.と30 deg.の解析で同じ結果を示しました。
また、AMRを使用することにより、水素と空気の接触不連続面と拡散火炎上に限定して十分な解像度が維持され、効率的な解析が行えたことが示されています。

Ansys Fluent 2022 R2

水素(H2)は自動車などの移動手段の燃料としての利用が開始されており、航空機や船などにもその用途は拡大しています。
最も一般的なものは燃料電池自動車で、約400気圧に加圧された高圧水素タンクを搭載しており、さらに1000気圧に対応したタンクも開発中です。
しかしながら、水素の低い着火エネルギと広い燃焼範囲を考慮すると空気中に漏洩した際に自発的に着火する可能性があり、そのような事態では人員に対する被害や、機器や環境の破壊が危惧されます。
そのため、安全な水素の貯蔵・輸送方法の確立はこれを利用するすべての業界にとって重要な課題となっています。
しかしながら、このような問題に対してはいまだ未解明な部分が多く、いくつか行われた実験的な考察により乱流混合と拡散が重要な役割を担っていると示唆されております。
本事例では、LESと有限速度化学反応モデルを用いた乱流と反応の相互作用を詳細に考慮した解析を行い、現象のさらなる理解を目指します。

本解析では図１に示す解析領域が周方向1degのものと図２に示す30degのものの2種を対象とします。
それぞれの寸法は図内に記載されております。
高圧領域と大気圧領域の間にある半径dの流路はタンクに空いた穴を模擬しています。

表１に示すように、解析は非定常の密度ベースソルバーにて実施し、乱流モデルは動的スマゴリンスキーモデル、反応は乱流との相互作用を考慮しない有限速度反応モデル、詳細反応モデルにはAnsys MFL、状態方程式にはSRKを使用します。
時空間の離散化を共に2次精度で行い、時間刻みは5×109sです。

境界条件を図3に示します。
タンクに空いた穴を模擬した流路の中間点まで高圧水素を充填したところから計算を開始し、大気圧下に噴出する様子を解析します。

周方向1degと周方向30degの解析メッシュを図4のa、bにそれぞれ示します。
メッシュは反応面を自動的に追跡し、細分化されます。また、セルはすべて6面体で構成されています。
初期セル数は1degが約140万セル、30degが1700万セルです。

図5にメッシュ1degにおける、各水素圧力に対する80μs後のOH質量分率と中心軸上温度分布を示します。
OHは水素が燃焼反応を起こす際に発生する代表的な中間生成物です。
図5に示すように、圧力が250barの場合は着火後持続的に燃焼反応が継続しますが、100barの場合は着火するもその後消炎し、50barの場合はそもそも着火に至らないことがわかります。

図6にメッシュ30degにおける、各水素圧力に対する80μs後のOH質量分率と温度分布を示します。図5で示したメッシュ1degと同様に、水素圧力が250barの場合以外は燃焼が持続しないことがわかります。

メッシュ1degとメッシュ30degで漏洩高圧水素は自着火に関して同様の解析挙動を示すことが示されました。
これらは先行研究とも矛盾の無い結果となります。

Fluent 2022R2によるLES/有限反応速度モデル密度法解析は、さまざまなタンク圧力での水素漏れと自着火挙動を妥当な精度で予測することができます。
このような解析は水素自動車の構成部品等の研究開発に欠かせないものとなる可能性があります。
例えば、タンク壁の厚さや穴の直径、断面形状などの影響も調査することが可能です。