Numerische Simulation von Flammenausbreitung und Druckverlauf bei Staubexplosionen: Fid-Bau Portal

Numerische Simulation von Flammenausbreitung und Druckverlauf bei Staubexplosionen

Krause, U. / Kasch, T.

In Anbetracht der Unmöglichkeit, Explosionsszenarien in technischen Anlagen allein auf der Grundlage experimenteller Untersuchungen vorherzusagen, gewinnen Berechnungsverfahren zunehmende Bedeutung. Das komplexe Zusammenwirken von Strömungsvorgängen und chemischen Reaktionen bei möglichen Explosionsabläufen in technischen Systemen erfordert die Berücksichtigung lokaler Verteilungen der Zustandsgrößen. Einfache mathematische Ansätze führen nicht zum Erfolg, da sie die komplexe Verknüpfung von chemischer Reaktion und Strömung nicht adäquat erfassen. Der vorliegende Beitrag demonstriert anhand von Berechnungen mittels eines CFD-Rechenprogrammes (Computational Fluid Dynamics) die Möglichkeiten, aber auch die Schwierigkeiten bei der Berechnung von Staubexplosionen in einem Versuchssilo. Dabei handelt es um einen 45-Kubikmeter-Rechtecksilo, der für die Explosionsversuche mit Maisstärke befüllt wurde. Die Berechnung erfolgte in der Weise, daß zunächst die Entwicklung der 'kalten' Strömung verfolgt wurde, um den Vorgang des Befüllens zu simulieren. Der Zeitpunkt des 'Zündens' wurde entsprechend dem experimentellen Ablauf gewählt. Die anlaufende Explosion führte zum Druckanstieg im Siloinneren bis zum Erreichen des Ansprechdruckes der Entlastungsvorrichtung (hier: Berstfolien). Der danach einsetzende Strömungsvorgang erzeugt Wirbel und beschleunigt damit die Verbrennungsreaktion. Infolgedessen kommt es einem Anwachsen des zeitlichen Druckanstiegs bis die Flamme die Entlastungsöffnung erreicht und kaum noch unverbranntes Material vorhanden ist. Der Abbruch der Reaktion und das Ausstoßen von Verbrennungsprodukte ins Freie führen zu einem raschen Abfall des Druckes. Das Beispiel verdeutlicht, daß auch die numerische Simulation von betriebsbedingten Strömungsvorgängen wesentliche Hinweise auf zu erwartende Explosionswirkungen geben kann. Auf diese Weise lassen sich Betriebsparameter festlegen, die die mögliche Explosionsgefahr und -heftigkeit mindern.