Hydrogen safety: modeling of hydrogen flame acceleration and detonation onset using PDRFoam

The growing deployment of hydrogen as an energy carrier has increased the need for reliable tools to predict the consequences of accidental hydrogen explosions. PDRFoam is an open-source CFD solver that uses the Porosity Distributed Resistance (PDR) approach to simulate gas explosions in congested geometries at reduced computational cost. However, it has been validated almost exclusively against hydrocarbon fuels in single congested regions, and no validation exists for hydrogen in geometries with separation gaps between congested regions, despite their relevance to industrial plant layouts. This thesis evaluates PDRFoam against experimental data from the ERGOS program, which provides a database of hydrogen explosions in donor--acceptor configurations. Stoichiometric hydrogen--air explosions were simulated at seven separation distances using different mesh resolutions. Predicted peak overpressures were compared against experimental measurements, and flame speeds were extracted from the simulations to assess the combustion regime. Most predictions fall within, or close to, the factor-of-2 bounds, indicating acceptable order-of-magnitude agreement. However, model performance varies strongly with separation distance: at small gaps the model agrees with experiment to within 6–8\%, while at intermediate gaps it systematically underpredicts overpressure by 40–55\%, attributed to incorrect turbulence transport through the open gap. At large gaps, results are mixed. Regression analysis confirms that separation distance is the dominant predictor of overpressure, while cell width is not statistically significant. The flame speed analysis shows that at small gaps, predicted speeds approach the Chapman–Jouguet detonation velocity, indicating that the combustion model is pushed beyond its validity range. These findings provide the first quantitative validation of PDRFoam for hydrogen in gap-separated geometries and confirm that the underprediction at intermediate gaps is a shared limitation of the PDR approach.

La crescente diffusione dell’idrogeno come vettore energetico ha aumentato la necessità di strumenti affidabili per prevedere le conseguenze di esplosioni accidentali. PDRFoam è un solutore CFD open-source che utilizza l’approccio Porosity Distributed Resistance (PDR) per simulare esplosioni di gas in geometrie congestionate a costo computazionale ridotto. Tuttavia, è stato validato quasi esclusivamente con combustibili idrocarburici in singole regioni congestionate, e non esiste alcuna validazione per l’idrogeno in geometrie con gap di separazione. Questa tesi valuta PDRFoam rispetto ai dati sperimentali del programma ERGOS. Es plosioni stechiometriche di miscele idrogeno–aria sono state simulate in configurazioni donor–acceptor a sette distanze di separazione con diverse risoluzioni di griglia. Le sovra pressioni di picco sono state confrontate con le misure sperimentali, e le velocità di fiamma sono state estratte per valutare il regime di combustione. Tutte le previsioni rientrano entro o in prossimità dei limiti del fattore 2 rispetto ai dati sperimentali. Tuttavia, le prestazioni del modello variano fortemente con la distanza di separazione: a piccoli gap il modello concorda con l’esperimento entro il 6–8%, mentre a gap intermedi sottostima sistematicamente la sovrapressione del 40–55%, a causa di un trasporto scorretto della turbolenza attraverso il gap. A grandi gap i risultati sono variabili. La distanza di separazione è il predittore dominante della sovrapressione, mentre la dimensione di cella non è statisticamente significativa. A piccoli gap le velocità di fiamma previste si avvicinano alla velocità di detonazione di Chapman–Jouguet, indicando che il modello viene spinto oltre il suo intervallo di validità. Questi risultati costituiscono la prima validazione quantitativa di PDRFoam per esplo sioni di idrogeno in geometrie con gap di separazione e confermano che la sottostima a gap intermedi è una limitazione condivisa dell’approccio PDR.