A model for turbulent combustion simulation of large scale hydrogen explosions

El agotamiento, la ausencia o, simplemente, la incertidumbre sobre la cantidad de las reservas de combustibles fósiles se añaden a la variabilidad de los precios y a la creciente inestabilidad en la cadena de aprovisionamiento para crear fuertes incentivos para el desarrollo de fuentes y vectores energéticos alternativos. El atractivo de hidrógeno como vector energético es muy alto en un contexto que abarca, además, fuertes inquietudes por parte de la población sobre la contaminación y las emisiones de gases de efecto invernadero. Debido a su excelente impacto ambiental, la aceptación pública del nuevo vector energético dependería, a priori, del control de los riesgos asociados su manipulación y almacenamiento. Entre estos, la existencia de un innegable riesgo de explosión aparece como el principal inconveniente de este combustible alternativo. Esta tesis investiga la modelización numérica de explosiones en grandes volúmenes, centrándose en la simulación de la combustión turbulenta en grandes dominios de cálculo en los que la resolución que es alcanzable está fuertemente limitada. En la introducción, se aborda una descripción general de los procesos de explosión. Se concluye que las restricciones en la resolución de los cálculos hacen necesario el modelado de los procesos de turbulencia y de combustión. Posteriormente, se realiza una revisión crítica de las metodologías disponibles tanto para turbulencia como para combustión, que se lleva a cabo señalando las fortalezas, deficiencias e idoneidad de cada una de las metodologías. Como conclusión de esta investigación, se obtiene que la única estrategia viable para el modelado de la combustión, teniendo en cuenta las limitaciones existentes, es la utilización de una expresión que describa la velocidad de combustión turbulenta en función de distintos parámetros. Este tipo de modelos se denominan Modelos de velocidad de llama turbulenta y permiten cerrar una ecuación de balance para la variable de progreso de combustión. Como conclusión también se ha obtenido, que la solución más adecuada para la simulación de la turbulencia es la utilización de diferentes metodologías para la simulación de la turbulencia, LES o RANS, en función de la geometría y de las restricciones en la resolución de cada problema particular. Sobre la base de estos hallazgos, el crea de un modelo de combustión en el marco de los modelos de velocidad de la llama turbulenta. La metodología propuesta es capaz de superar las deficiencias existentes en los modelos disponibles para aquellos problemas en los que se precisa realizar cálculos con una resolución moderada o baja. Particularmente, el modelo utiliza un algoritmo heurístico para impedir el crecimiento del espesor de la llama, una deficiencia que lastraba el célebre modelo de Zimont. Bajo este enfoque, el énfasis del análisis se centra en la determinación de la velocidad de combustión, tanto laminar como turbulenta. La velocidad de combustión laminar se determina a través de una nueva formulación capaz de tener en cuenta la influencia simultánea en la velocidad de combustión laminar de la relación de equivalencia, la temperatura, la presión y la dilución con vapor de agua. La formulación obtenida es válida para un dominio de temperaturas, presiones y dilución con vapor de agua más extenso de cualquiera de las formulaciones previamente disponibles. Por otra parte, el cálculo de la velocidad de combustión turbulenta puede ser abordado mediante el uso de correlaciones que permiten el la determinación de esta magnitud en función de distintos parámetros. Con el objetivo de seleccionar la formulación más adecuada, se ha realizado una comparación entre los resultados obtenidos con diversas expresiones y los resultados obtenidos en los experimentos. Se concluye que la ecuación debida a Schmidt es la más adecuada teniendo en cuenta las condiciones del estudio. A continuación, se analiza la importancia de las inestabilidades de la llama en la propagación de los frentes de combustión. Su relevancia resulta significativa para mezclas pobres en combustible en las que la intensidad de la turbulencia permanece moderada. Estas condiciones son importantes dado que son habituales en los accidentes que ocurren en las centrales nucleares. Por ello, se lleva a cabo la creación de un modelo que permita estimar el efecto de las inestabilidades, y en concreto de la inestabilidad acústica-paramétrica, en la velocidad de propagación de llama. El modelado incluye la derivación matemática de la formulación heurística de Bauwebs et al. para el cálculo de la incremento de la velocidad de combustión debido a las inestabilidades de la llama, así como el análisis de la estabilidad de las llamas con respecto a una perturbación cíclica. Por último, los resultados se combinan para concluir el modelado de la inestabilidad acústica-paramétrica. Tras finalizar esta fase, la investigación se centro en la aplicación del modelo desarrollado en varios problemas de importancia para la seguridad industrial y el posterior análisis de los resultados y la comparación de los mismos con los datos experimentales correspondientes. Concretamente, se abordo la simulación de explosiones en túneles y en contenedores, con y sin gradiente de concentración y ventilación. Como resultados generales, se logra validar el modelo confirmando su idoneidad para estos problemas. Como última tarea, se ha realizado un analisis en profundidad de la catástrofe de Fukushima-Daiichi. El objetivo del análisis es determinar la cantidad de hidrógeno que explotó en el reactor número uno, en contraste con los otros estudios sobre el tema que se han centrado en la determinación de la cantidad de hidrógeno generado durante el accidente. Como resultado de la investigación, se determinó que la cantidad más probable de hidrogeno que fue consumida durante la explosión fue de 130 kg. Es un hecho notable el que la combustión de una relativamente pequeña cantidad de hidrogeno pueda causar un daño tan significativo. Esta es una muestra de la importancia de este tipo de investigaciones. Las ramas de la industria para las que el modelo desarrollado será de interés abarca la totalidad de la futura economía de hidrógeno (pilas de combustible, vehículos, almacenamiento energético, etc) con un impacto especial en los sectores del transporte y la energía nuclear, tanto para las tecnologías de fisión y fusión. ABSTRACT The exhaustion, absolute absence or simply the uncertainty on the amount of the reserves of fossil fuels sources added to the variability of their prices and the increasing instability and difficulties on the supply chain are strong incentives for the development of alternative energy sources and carriers. The attractiveness of hydrogen in a context that additionally comprehends concerns on pollution and emissions is very high. Due to its excellent environmental impact, the public acceptance of the new energetic vector will depend on the risk associated to its handling and storage. Fromthese, the danger of a severe explosion appears as the major drawback of this alternative fuel. This thesis investigates the numerical modeling of large scale explosions, focusing on the simulation of turbulent combustion in large domains where the resolution achievable is forcefully limited. In the introduction, a general description of explosion process is undertaken. It is concluded that the restrictions of resolution makes necessary the modeling of the turbulence and combustion processes. Subsequently, a critical review of the available methodologies for both turbulence and combustion is carried out pointing out their strengths and deficiencies. As a conclusion of this investigation, it appears clear that the only viable methodology for combustion modeling is the utilization of an expression for the turbulent burning velocity to close a balance equation for the combustion progress variable, a model of the Turbulent flame velocity kind. Also, that depending on the particular resolution restriction of each problem and on its geometry the utilization of different simulation methodologies, LES or RANS, is the most adequate solution for modeling the turbulence. Based on these findings, the candidate undertakes the creation of a combustion model in the framework of turbulent flame speed methodology which is able to overcome the deficiencies of the available ones for low resolution problems. Particularly, the model utilizes a heuristic algorithm to maintain the thickness of the flame brush under control, a serious deficiency of the Zimont model. Under the approach utilized by the candidate, the emphasis of the analysis lays on the accurate determination of the burning velocity, both laminar and turbulent. On one side, the laminar burning velocity is determined through a newly developed correlation which is able to describe the simultaneous influence of the equivalence ratio, temperature, steam dilution and pressure on the laminar burning velocity. The formulation obtained is valid for a larger domain of temperature, steam dilution and pressure than any of the previously available formulations. On the other side, a certain number of turbulent burning velocity correlations are available in the literature. For the selection of the most suitable, they have been compared with experiments and ranked, with the outcome that the formulation due to Schmidt was the most adequate for the conditions studied. Subsequently, the role of the flame instabilities on the development of explosions is assessed. Their significance appears to be of importance for lean mixtures in which the turbulence intensity remains moderate. These are important conditions which are typical for accidents on Nuclear Power Plants. Therefore, the creation of a model to account for the instabilities, and concretely, the acoustic parametric instability is undertaken. This encloses the mathematical derivation of the heuristic formulation of Bauwebs et al. for the calculation of the burning velocity enhancement due to flame instabilities as well as the analysis of the stability of flames with respect to a cyclic velocity perturbation. The results are combined to build a model of the acoustic-parametric instability. The following task in this research has been to apply the model developed to several problems significant for the industrial safety and the subsequent analysis of the results and comparison with the corresponding experimental data was performed. As a part of such task simulations of explosions in a tunnel and explosions in large containers, with and without gradient of concentration and venting have been carried out. As a general outcome, the validation of the model is achieved, confirming its suitability for the problems addressed. As a last and final undertaking, a thorough study of the Fukushima-Daiichi catastrophe has been carried out. The analysis performed aims at the determination of the amount of hydrogen participating on the explosion that happened in the reactor one, in contrast with other analysis centered on the amount of hydrogen generated during the accident. As an outcome of the research, it was determined that the most probable amount of hydrogen exploding during the catastrophe was 130 kg. It is remarkable that the combustion of such a small quantity of material can cause tremendous damage. This is an indication of the importance of these types of investigations. The industrial branches that can benefit from the applications of the model developed in this thesis include the whole future hydrogen economy, as well as nuclear safety both in fusion and fission technology.

Aplicación de la celulosa bacteriana a la restauración del patrimonio bibliográfico y documental en papel

La preservación del patrimonio bibliográfico y documental en papel es uno de los mayores retos a los que se enfrentan bibliotecas y archivos de todo el mundo. La búsqueda de soluciones al problema del papel degradado ha sido abordada históricamente desde dos líneas de trabajo predominantes: la conservación de estos documentos mediante la neutralización de los ácidos presentes en ellos con agentes alcalinos, y su restauración mediante el método de laminación fundamentalmente con papel de origen vegetal. Sin embargo, no se ha explorado con éxito la posibilidad de reforzar la celulosa dañada, y el problema sigue sin encontrar una solución satisfactoria. Hasta el día de hoy, el desarrollo de tratamientos basados en biotecnología en la conservación del patrimonio documental ha sido muy escaso, aunque la capacidad de ciertas bacterias de producir celulosa lleva a plantear su uso en el campo de la conservación y restauración del papel. La celulosa bacteriana (CB) es químicamente idéntica a la celulosa vegetal, pero su organización macroscópica es diferente. Sus propiedades únicas (alto grado de cristalinidad, durabilidad, resistencia y biocompatibilidad) han hecho de este material un excelente recurso en diferentes campos. En el desarrollo de esta tesis se ha estudiado el uso de la celulosa bacteriana, de alta calidad, generada por Gluconacetobacter sucrofermentans CECT 7291, para restaurar documentos deteriorados y consolidar los que puedan estar en peligro de degradación, evitando así su destrucción y proporcionando al papel que se restaura unas buenas propiedades mecánicas, ópticas y estructurales. Se desarrollan asimismo protocolos de trabajo que permitan la aplicación de dicha celulosa. En primer lugar se seleccionó el medio de cultivo que proporcionó una celulosa adecuada para su uso en restauración. Para ello se evaluó el efecto que tienen sobre la celulosa generada las fuentes de carbono y nitrógeno del medio de cultivo, manteniendo como parámetros fijos la temperatura y el pH inicial del medio, y efectuando los ensayos en condiciones estáticas. Se evaluó, también, el efecto que tiene en la CB la adición de un 1% de etanol al medio de cultivo. Las capas de celulosa se recolectaron a cuatro tiempos distintos, caracterizando en cada uno de ellos el medio de cultivo (pH y consumo de fuente de carbono), y las capas de CB (pH, peso seco y propiedades ópticas y mecánicas). La mejor combinación de fuentes de carbono y nitrógeno resultó ser fructosa más extracto de levadura y extracto de maíz, con o sin etanol, que proporcionaban una buena relación entre la producción de celulosa y el consumo de fuente de carbono, y que generaban una capa de celulosa resistente y homogénea. La adición de etanol al medio de cultivo, si bien aumentaba la productividad, causaba un descenso apreciable de pH. Las capas de CB obtenidas con los medios de cultivo optimizados se caracterizaron en términos de sus índices de desgarro y estallido, propiedades ópticas, microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos-X, espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR), grado de polimerización, ángulos de contacto estáticos y dinámicos, y porosimetría de intrusión de mercurio. Por otro lado hay que tener en cuenta que el material restaurado debe ser estable con el tiempo. Por ello esta misma caracterización se efectuó tras someter a las capas de CB a un proceso de envejecimiento acelerado. Los resultados mostraron que la CB resultante tiene un elevado índice de cristalinidad, baja porosidad interna, buenas propiedades mecánicas, y alta estabilidad en el tiempo. Para desarrollar los protocolos de trabajo que permitan la restauración con esta celulosa optimizada, se comienzó con un proceso de selección de los papeles que van a ser restaurados. Se eligieron tres tipos de papeles modelo, hechos con pasta mecánica, química y filtro (antes y después de ser sometidos a un proceso de envejecimiento acelerado), y tres libros viejos adquiridos en el mercado de segunda mano. Estos ejemplares a restaurar se caracterizaron también en términos de sus propiedades mecánicas y fisicoquímicas. El primer protocolo de restauración con CB que se evaluó fue el denominado laminación. Consiste en aplicar un material de refuerzo al documento mediante el uso de un adhesivo. Se seleccionó para ello la CB producida en el medio de cultivo optimizado con un 1% de etanol. Se aplicó un método de purificación alcalino (1 hora a 90 °C en NaOH al 1%) y como adhesivo se seleccionó almidón de trigo. El proceso de laminación se efectuó también con papel japonés (PJ), un material habitualmente utilizado en conservación, para comparar ambos materiales. Se concluyó que no hay diferencias significativas en las características estudiadas entre los dos tipos de materiales de refuerzo. Se caracterizó el material reforzado y, también, después de sufrir un proceso de envejecimiento acelerado. Los papeles laminados con CB mostraban diferencias más marcadas en las propiedades ópticas que los restaurados con PJ, con respecto a los originales. Sin embargo, el texto era más legible cuando el material de restauración era la CB. La mojabilidad disminuía con ambos tipos de refuerzo, aunque en los papeles laminados con CB de manera más marcada e independiente del material a restaurar. Esto se debe a la estructura cerrada de la CB, que también conduce a una disminución en la permeabilidad al aire. Este estudio sugiere que la CB mejora la calidad del papel deteriorado, sin alterar la información que contiene, y que esta mejora se mantiene a lo largo del tiempo. Por tanto, la CB puede ser utilizada como material de refuerzo para laminar, pudiendo ser más adecuada que el PJ para ciertos tipos de papeles. El otro método de restauración que se estudió fue la generación in situ de la CB sobre el papel a restaurar. Para ello se seleccionó el medio de cultivo sin etanol, ya que el descenso de pH que causaba su presencia podría dañar el documento a restaurar. El método de purificación elegido fue un tratamiento térmico (24 horas a 65 °C), menos agresivo para el material a restaurar que el tratamiento alcalino. Se seleccionó la aplicación del medio de cultivo con la bacteria mediante pincel sobre el material a restaurar. Una vez caracterizado el material restaurado, y éste mismo tras sufrir un proceso de envejecimiento acelerado, se concluyó que no hay modificación apreciable en ninguna característica, salvo en la permeabilidad al aire, que disminuye de manera muy evidente con la generación de CB, dando lugar a un material prácticamente impermeable al aire. En general se puede concluir que ha quedado demostrada la capacidad que tiene la celulosa generada por la bacteria Gluconacetobacter sucrofermentans CECT 7291 para ser utilizada como material de refuerzo en la restauración del patrimonio documental en papel. Asimismo se han desarrollado dos métodos de aplicación, uno ex situ y otro in situ, para efectuar esta tarea de restauración. ABSTRACT The preservation of bibliographic and documentary heritage is one of the biggest challenges that libraries and archives around the world have to face. The search for solutions to the problem of degraded paper has historically been focused from two predominants lines of work: the conservation of these documents by the neutralization of acids in them with alkaline agents, and their restoration by lining them with, basically, cellulose from vegetal sources. However, the possibility of strengthening the damaged cellulose has not been successfully explored, and the problem still persists. Until today, the development of biotechnology-based treatments in documentary heritage conservation has been scarce, although the ability of certain bacteria to produce cellulose takes to propose its use in the field of conservation and restoration of paper. The bacterial cellulose (BC) is chemically identical to the plant cellulose, but its macroscopic organization is different. Its unique properties (high degree of crystallinity, durability, strength and biocompatibility), makes it an excellent resource in different fields. The use of high-quality BC generated by Gluconacetobacter sucrofermentans CECT 7291 to restore damaged documents and to consolidate those that may be at risk of degradation, has been studied in this thesis, trying to prevent the document destruction, and to get reinforced papers with good mechanical, optical and structural properties. Protocols that allow the implementation of the BC as a reinforcing material were also developed. First of all, in order to select the culture medium that provides a cellulose suitable for its use in restoration, it has been evaluated the effect that the carbon and nitrogen sources from the culture medium have on the generated BC, keeping the temperature and the initial pH of the medium as fixed parameters, and performing the culture without shaking. The effect of the addition of 1% ethanol to the culture medium on BC properties was also evaluated. The cellulose layers were collected at four different times, characterizing in all of them the culture medium (pH and carbon source consumption), and the BC sheets (pH, dry weight and optical and mechanical properties). The best combination of carbon and nitrogen sources proved to be fructose plus yeast extract and corn steep liquor, with or without ethanol, which provided a good balance between the cellulose production and the consumption of carbon source, and generating BC sheets homogeneous and resistant. The addition of ethanol to the culture medium increased productivity but caused a noticeable decrement in pH. The BC layers generated with these optimized culture media, have been characterized in terms of tear and burst index, optical properties, scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction, infrared Fourier transform spectroscopy (FTIR), polymerization degree, static and dynamic contact angles, and mercury intrusion porosimetry. Moreover it must be kept in mind that the restored materials should be stable over time. Therefore, the same characterization was performed after subjecting the layers of BC to an accelerated aging process. The results showed that the BC sheets obtained have a high crystallinity index, low internal porosity, good mechanical properties, and high stability over time. To develop working protocols to use this optimized BC in paper restoration, the first step was to select the samples to restore. Three types of model papers, made from mechanical pulp, chemical pulp and filter paper (before and after an accelerated aging process), and three old books purchased in the second hand market, were chosen. These specimens to be restored were also characterized in terms of its mechanical and physicochemical properties. The first protocol of restoration with BC to be evaluated is called linning. It consists on applying a reinforcing material to the document using an adhesive. The BC produced in the optimized culture medium with 1% ethanol was selected. An alkali purification method (1 hour at 90 °C in 1% NaOH) was applied, and wheat starch was selected as adhesive. The linning process was also carried out with Japanese paper (JP), a material commonly used in conservation, in order to compare both materials. It was concluded that there are no significant differences in the characteristics studied of the two types of reinforcing materials. The reinforced materials were characterized before and after undergoing to an accelerated aging. Papers lined with BC showed more marked differences in the optical properties that papers restored with JP. However, the text was more readable when BC was the reinforcing material. Wettability decreased with both types of reinforcement, although in the papers linned with BC it happened more marked and independently of the sample to restore. This is due to the closed structure of BC, which also leads to a decrement in air permeance. This study suggests that BC improves the deteriorated paper quality, without altering the information on it, and that this improvement is maintained over time. Therefore, the BC may be used as reinforcing material for linning, being more suitable than the JP to restore certain types of papers. The other restoration method to be evaluated was the in situ generation of BC over the paper to restore. For this purpose the culture medium without ethanol was selected, as the pH decrement caused by his presence would damage the document to restore. As purification method a heat treatment (24 hours at 65 °C) was chosen, less aggressive to the material to restore than the alkaline treatment. It was decided to apply the culture medium with the bacteria onto the material to restore with a brush. The reinforced material was characterized before and after an accelerated aging process. It was concluded that there was no substantial change in any characteristic, except for air permeance, which decreases very sharply after the generation of BC, getting a substantially air impermeable material. In general, it can be concluded that the ability of BC produced by Gluconacetobacter sucrofermentans CECT 7291 for its use as a reinforcing material in the restoration of paper documentary heritage, has been demonstrated. Also, two restoration methods, one ex situ and another in situ have been developed.

Analysis of fire behaviour simulations over Spain with WRF-FIRE

Wildland fire spread and behaviour are complex phenomena owing to both the number of involved physico-chemical factors, and the non-linear relationship between variables. Spain is plagued by forest and brush fires every summer, when the extremely dry weather sets in along with high temperatures. The use of fire behaviour models requires the availability of high resolution environmental and fuel data; in the absence of real data, errors on the simulated fire spread can be compounded to affect the spatial and temporal accuracy of predicted data. The effect of input values on the accuracy of WRF-FIRE simulations was evaluated to assess the capabilities of the new system for wildland fire in accurately forecasting fire behaviour. The results confirm that the use of accurate meteorological data and a custom fuel moisture content model is crucial to obtain precise simulations of fire behaviour.