Was passiert eigentlich bei einer Gasexplosion?
Die Detonation einer Wolke aus brennbarem Gas erfolgt nicht nur sehr schnell, sondern ist auch ein extrem komplizierter Mix aus Chemie und Physik. Die Schnelligkeit, mit der alles abläuft, macht die exakte Bestimmung, was genau eigentlich passiert, um so schwieriger. An der Lösung dieser Aufgabe arbeitete das von der EU finanzierte Projekt "Advanced numereical study of flame acceleration and detonation in vapour cloud explosions" (DETONATION). Ziel war die Modellierung der komplexen Prozesse bei der Flammenbeschleunigung und der Transfer dieses Wissens nach Europa. Das Modell sollte insbesondere den Weg der Flamme um einzelne und mehrere Hindernisse herum zum Schwerpunkt haben. Die Studie lief im Unterprogramm des Siebten Rahmenprogramms (RP7) zu Marie-Curie-Stipendien für eine Betätigung von Wissenschaftlern aus Drittstaaten in Europa (Incoming Fellowships, IOF) dauerte zwei Jahre bis Juli 2013. Alle geplanten Ziele wurden erreicht. Als erstes entwickelte man im Rahmen der Studie ein Verfahren zur großmaßstäblichen Modellierung der Wasserstoffverbrennung und -explosion. Die Methode kombiniert Einzelschrittchemie und Luftströmungsparameter. Außer der Verbrennung beinhaltet das Modell die Interaktion des explodierenden Gases mit Hindernissen im offenen Raum, wozu modifizierter OpenFOAM-Code eingesetzt wird. Die Studie simuliert außerdem die Ausbreitung einer Detonationswelle unter verschiedenen physikalischen Bedingungen einschließlich U-Bögen und einer flachen halbeingegrenzten Schicht. Das für Wasserstoff entwickelte Modell zeigte gute Übereinstimmungen mit den Testmessungen. Die Schritte stellen wichtige Grundlagen für die Entwicklung eines großmaßstäblichen Chemiemodells dar. Eine modifizierte Version wurde für verflüssigtes Erdgas (liquefied natural gas, LNG) entwickelt, die veranschaulicht, wie Änderungen im Rohrdurchmesser die Flammenbewegung beeinflussen. Die LNG-Berechnungen stimmten außerdem mit den Tests überein. Die Modelle gemäß der Untersuchung beinhalten vollständige chemische Reaktionsmechanismen für Wasserstoff-Luft und Propan-Luft-Gemische. Außerdem beinhaltete die Simulation Wirbelverlustleistungsparameter für einzelne und mehrere Brennstoffe sowie eine Untermodell in Hinsicht auf Ruß. parResultat des DETONATION-Projekts ist letztlich, dass man nun die chemische und physikalische Wirkung von Explosionen in brennbaren Gasen umfassender versteht. Die Arbeit zieht sowohl wissenschaftliche als auch industrielle Anwendungen nach sich.
Schlüsselbegriffe
Gasexplosion, Wasserstoff, Erdgas, Detonation, brennbares Gas, Chemie, Physik, Flammenbeschleunigung, Dampfwolke, Verbrennung, Luftströmung, OpenFOAM, verflüssigtes Erdgas
