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MECHANISTIC SAFETY ANALYSIS OF HYDROGEN BASED ENERGY SYSTEMS
- W. Breitung
MECHANISTIC SAFETY ANALYSIS OF HYDROGEN BASED ENERGY SYSTEMS W. - - PowerPoint PPT Presentation
MECHANISTIC SAFETY ANALYSIS OF HYDROGEN BASED ENERGY SYSTEMS W. Breitung Institute for Nuclear and Energy Technologies Karlsruhe Research Center Germany Second European Summer School on Hydrogen Safety, University of Ulster, Belfast, 30 July-
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Source: EU-Project EIHP-2, Final Report 2004
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2 22.3 34 100 0.34 1 under-neath trunk 22.3 34 10 3.40 Two times 10 x 20 cm² 70.2 Nr. Release Location Release Temp. (K) Total Mass (g) Duration (s) H2-Rate (g/s) Vent Openings Garage Volume (m³) CASE HYDROGEN SOURCE GEOMETRY 2 22.3 34 100 0.34 1 under-neath trunk 22.3 34 10 3.40 Two times 10 x 20 cm² 70.2 Nr. Release Location Release Temp. (K) Total Mass (g) Duration (s) H2-Rate (g/s) Vent Openings Garage Volume (m³) CASE HYDROGEN SOURCE GEOMETRY
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3 2
2 2 2
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T>1000K IRWST Rekos
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T>1000K IRWST Rekos
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Fully compressible Navier-Stokes, expressed in integral form for finite volume discretisation
Momentum conservation
V V S
2 S S
S d m V
momentum flux pressure gradient gravity viscous stresses drag from internal surfaces & flow restrictions momentum sources
Mass conservation Total mass:
ρ
V V
S
Component α :
α α α ρ α
V V
S S
,
convection diffusion
two-phase change convection sources (inflow, droplet depletion)
Internal energy conservation
V V
S S
S
e V
α α α
pV work due to phase change energy flux energy sources (thermal, conductivity, ........) (combustion, phase change, heat transfer)
HO
2
convection pV work
J.R. Travis et al, Report FZKA-5994 (1998)
xR6 R5 Ring Room R9 He- Source 10 Vol % He Isosurface R6 R5 Ring Room R9 He- Source 10 Vol % He Isosurface Vertical He- jet into air (42 m/s) for 200 s Vertical He- jet into air (42 m/s) for 200 s
5 10 15 20 200 400 600 800 Time (s)9KP000K76 FZK/GASFLOW
5 10 15 20 200 400 600 800 Time (s)9KP000K76 FZK/GASFLOW
Vertical distance from injection location (m) 40 80 2 4 6 FZK/GASFLOW 6kp270M18 Vertical distance from injection location (m) 40 80 2 4 6 FZK/GASFLOW 6kp270M18 5 10 15 200 400 600 800 Time (s)6KP270M18 FZK/GASFLOW
5 10 15 200 400 600 800 Time (s)6KP270M18 FZK/GASFLOW
Distance from jet axis (m)EXPERIMENT FZK/GASFLOW
x Distance from jet axis (m)EXPERIMENT FZK/GASFLOW
x13
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Report FZKA-7085 (2005), www.fzk.de/hbm
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0.34 g H2/s for 100s
3.4 g H2/s for 10 s
d (cm)
cc
10 20 30 40 50 60 70 80 90 50 100 150 200 250
20 40 60 80 100 120 140 160 180 10 20 30 40 50 60
d (cm)
cc
Time (s) Time (s)
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x p pmax
2 2
Maximum acceptable static load for typical inner containment structures (1 ton / m2)
p0
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G:1 G:7 G:5 G:4 G:3 G:0 G:2 G:8 G:6 G:9 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Fraction of ignition source [%]
G:1 open fire G:2 mechanical spark G:3 electrical spark G:4 hot surface G:5 static discharge G:6 catalytic surface G:7 self-ignition G:8 others G:9 unknown G:0 no ignition Survey of 287 accidents with hydrogen Kreiser et al, Report Univ. Stuttgart IKE 2-116 (1994)
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D
f l a m e v e l10 20 30 40 50 60 70
200 400 600 800 1000 1200
174m m
10%H2 11%H2 15%H2
520m m
10%H2 11%H2
80m m
10%H2 11%H2 13%H2
350m m
9%H2 11%H2 17.5%H2
5 10 15 20 25 30 35
x/D
200 400 600 800 1000 1200
v, m/s 350 mm BR=0.6 H2-air-CO2
φ = 0.5
40%CO2 35%CO2 30%CO2 27.5%CO2 25%CO2 20%CO2 15%CO2 10%CO2 5%CO2 2.5%CO2 0%CO2
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fast flames unstable flames slow flames
σ = 3.75 FZK FZK FZK FZK FZK / KI KI KI KI KI
Tube diameter L / Laminar flame thickness δ x 10-3
different length scales L
FZK FZK-tube: 350 mm KI Driver tube: 174 mm Torpedo tube : 520 mm RUT : 2400 mm FZK / KI δ ~ 0.1 mm ~
3 0.1 1.0 10.0 4 5 6 7 global quenching quenching-reignition choked flames quasi-detonation T 300 K ~ ~
Expansion ratio σ (= ρub/ρb)
fast flames unstable flames slow flames
σ = 3.75 FZK FZK FZK FZK FZK / KI KI KI KI KI
Tube diameter L / Laminar flame thickness δ x 10-3
different length scales L
FZK FZK-tube: 350 mm KI Driver tube: 174 mm Torpedo tube : 520 mm RUT : 2400 mm FZK / KI δ ~ 0.1 mm ~
3 0.1 1.0 10.0 4 5 6 7 global quenching quenching-reignition choked flames quasi-detonation T 300 K ~ ~
Expansion ratio σ (= ρub/ρb) D
D In lecture notes
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Fully obstructed tube (prototypic mode B)
accelerating flame DDT stable (quasi) detonation spark ignition p H / air
2
burned gas
flame precursor shock conus 1 m 5-6 m
Partially obstructed tube with conus (prototypic mode A)
0,5 m
spark ignition
Shock tube with conus (idealized mode A)
p He H / air
2
high pressure section burst membrane low pressure section conus 3 m/1m 9 m 0.35 m 3m 1m
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5 m 350 mm
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2 3 5 2 3 5
100 1000 10000
2 3 5 2 3 5 2 3 5 2
1 10 100
No DDT, BR<0.5 No DDT, BR>0.5, rooms DDT, BR<0.5 DDT, BR>0.5, rooms L = 7λ λ accuracy limits d1 d1 d1 d1 d1 d1 d1 d1 c1 c1 t4 t4 t4 c2 d2 d2 d2 d2 d2 d2 d2 d2 g3 s1 s1 s1 s1 s1 s1 s1 s1 s1 s1 s1 s1 t3 t3 t3 t3 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 f1 f3 r2 r2 r5 r5 r5 r5 r5 r5 r5 r5 r5 r5 r5 r5 r5 r5 r5 r5 r5 r6 r6 v2 b1 b1 b1 b1 b1 b2 b2 b2 b2 b2 b3 b3 b3 b3 b3 b3 b4 b4 b4 b4 b4 b4 b4 b5 b5 b5 b5 b5 b6 b6 b6 b6 b6 b6 m3 m3 m4 m4 m4 m5 c3 d3 d3 d3 d3 d3 d3 d3 d3 d3 d3 d3 d3 d3 g1 g1 g1 g1 g1 g1 g2 g2 g6 g6 g6 g6 g7 g7 g7 g7 g8 g8 g8 g9 g9 r1 s2 s2 s2 s2 s2 s2 s2 s2 t1 t1 r3 r4 r4 r4 r4 r4 r4 r4 r4 r4 r7 r7 v1 d4 ri ri ri ri ri ri ri ri d1 d1 t4 d2 d2 g3 s1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 a1 f1 f3 r2 r2 r5 r5 r6 v2 b1 b1 b2 b2 b3 b3 b4 b5 b5 b6 b6 m3 m3 m3 m4 m4 m4 m5 m1 m2 m6 m6 m6 m7 m7 m7 m8 m8 m8 g1 g1 g1 g7 g7 g8 g8 r1 r3 r4 r4 r4 r4 r4 r4 r4 r4 r7 r7 v1 ri ri ri ri ri ri
D / λCharacteristic geometrical size of reacting mixture D (mm)
kein kein Fehlergrenze
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H0 (vol%)
2
State of the Art Report by a Group of Experts „Flame Acceleration and Deflagration – to – Detonation Transition in Nuclear Safety“, Nuclear Safety NEA/CSNI/R(2000)7, August 2000
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H 2
8% x=16% 4%
Luft H 2
8% x = 16% 4%
air σ index = < 1 ausgeschlossen = > 1 möglich
σ (Durchschnittsmischung) σ (T)
critical
Flammenbeschleunigung
=
(T)
critical
Übergang zur Detonation
1/3 σindex >1
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0.34 g H2/s for 100s
spontaneous flame acceleration (10.5 to 75 % H2)
(10.5 to 75 % H2)
4 to 75 % H2, dcc = (Vcc)1/3
20 40 60 80 100 120 140 160 180 10 20 30 40 50 60
d (cm)
cc
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 10 20 30 40 50 60
V (m³)
fa
0.5 1 1.5 2 2.5 3 10 20 30
DDT no DDT
40 50 60
D 7λ
3.4 g H2/s for 10 s
no DDT
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 50 100 150 200 250
D 7λ
V (m³)
fa
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 50 100 150 200 250
d (cm)
cc
10 20 30 40 50 60 70 80 90 50 100 150 200 250
Time (s) Time (s) Time (s) Time (s) Time (s) Time (s)
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> Δ +
p
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0.5 1 2 4 8 16 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 R, m Flame speed, m/s
8 g 8 g 16 g 16 g 4 g cube border
center of the cube
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1 2 3 4 5 5 10 Distance R from center of cube, m Peak overpressure Δp+, bar
2g 2g 1g 1g 0.5g
2 4 6 8 10 12 5 10
16g 16g 8g 8g 4g
Distance R from center of cube, m Peak overpressure Δp+, bar
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20 40 60 80 100 120 140 160 180 5 10 Distance R, m Impulse, Pa*s
16g 16g 8g 8g 4g
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 5 10 Distance R, m Impulse, Pa*s
2g 2g 1g 1g 0.5g
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0.01 0.1 1 10 2 4 6 Scaled distance R (p0 / E)1/3 Scaled peak overpressure ΔP+/p0
16g 16g 8g 8g 4g Gas detonation TNT (= energy)
0.01 0.1 1 10 5 10
2g 2g 1g 1g 0.5g Gas detonation TNT (= energy)
Scaled peak overpressure ΔP+/p0 Scaled distance R (p0 / E)1/3
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Ventilation ducts Ventilation turbines Test chamber (garage) Lower compartment
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100 200 300 400 500 50 100 150 200 250 300 200 400 600 800 100 200 300 400 500 50 100 150 200 250 300 200 400 600 800 Druckaufnehmer Beschleunigungs- sensoren
3A 3B 1B 13A 7B 2A 1A 4A 5A 6A 7A 8A 15A 14A 2B
4B
5B 6B 8B 16A
H ö h e [ c m ] Breite [cm] Länge [cm] Tür Zünd-
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0,188 0,190 0,192 0,194 0,196 0,198 0,200 0,202 0,204
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020
Beschleunigungsaufnehmer 1B 1g H2 Experiment2 Experiment3 Volt Zeit [s]
0,188 0,190 0,192 0,194 0,196 0,198 0,200 0,202 0,204
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020
Beschleunigungsaufnehmer 1B 1g H2 Experiment2 Experiment3 Volt Zeit [s]
0,19 0,20 0,21 0,22 0,23
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04
Beschleunigungsaufnehmer 3B 1g H2 Experiment2 Experiment3 Volt Zeit [s]
0,19 0,20 0,21 0,22 0,23
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04
Beschleunigungsaufnehmer 3B 1g H2 Experiment2 Experiment3 Volt Zeit [s]
0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27
0,00 0,01 0,02 0,03
Beschleunigungsaufnehmer 9A 1g H
2
Experiment2 Experiment3 Volt Zeit [s]
0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27
0,00 0,01 0,02 0,03
Beschleunigungsaufnehmer 9A 1g H
2
Experiment2 Experiment3 Volt Zeit [s]
0,192 0,194 0,196 0,198 0,200 0,202 0,204
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09
Druckaufnehmer 16A 1g H2 Experiment2 Experiment3 Überdruck [bar] Zeit [s]
0,185 0,190 0,195 0,200 0,205 0,210
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
Druckaufnehmer 2B 1g H2 Experiment1 Experiment2 Experiment3 Überdruck [bar] Zeit [s]
0,190 0,195 0,200 0,205 0,210 0,215
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
Druckaufnehmer 5A 1g H2 Experiment1 Experiment2 Experiment3 Überdruck [bar] Zeit [s]
0,192 0,194 0,196 0,198 0,200 0,202 0,204
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09
Druckaufnehmer 16A 1g H2 Experiment2 Experiment3 Überdruck [bar] Zeit [s]
0,192 0,194 0,196 0,198 0,200 0,202 0,204
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09
Druckaufnehmer 16A 1g H2 Experiment2 Experiment3 Überdruck [bar] Zeit [s]
0,185 0,190 0,195 0,200 0,205 0,210
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
Druckaufnehmer 2B 1g H2 Experiment1 Experiment2 Experiment3 Überdruck [bar] Zeit [s]
0,190 0,195 0,200 0,205 0,210 0,215
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
Druckaufnehmer 5A 1g H2 Experiment1 Experiment2 Experiment3 Überdruck [bar] Zeit [s]
0,190 0,195 0,200 0,205 0,210 0,215
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
Druckaufnehmer 5A 1g H2 Experiment1 Experiment2 Experiment3 Überdruck [bar] Zeit [s]
2
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0,182 0,183 0,184 0,185 0,186 0,187 0,188
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6
1g 2g 4g 8g 16g Überdruck [bar] Zeit [s]
0,182 0,183 0,184 0,185 0,186 0,187 0,188
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6
1g 2g 4g 8g 16g Überdruck [bar] Zeit [s] 0,193 0,194 0,195 0,196 0,197
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 1g 2g 4g 8g 16g Überdruck [ bar] Zeit [ s]
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Re =
t
u'L t ν
Evolution in
large scale combustion
Turbulence intensity u‘/ Laminar flame velocity SL Da < 1 Da = 1 Da > 1, Ka >1 Ka = 1 Ka < 1 Ret < 1 Da = Turb. Transport time (makro) Laminar reaction time Lt / u' δL/ SL = Ka = Laminar reaction time Turbulent transport time (Kolmogorov scale) δL / SL lΚ / u 'K = Flame shapes PDFs laminar flame folded flame wrinkled flame homogeneous reaction Unburned gas Burned gas Reaction zone Ka < 1 Da > 1 Da = 1 Da << 1 thickened flame
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0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Time (s)
5 10 15 20 25 30 35 Experiment RUT13 H=11% BR=0,3 p=1bar T=283K
2COM-Code c=7
fExperiment
2 4 6 8 10 12
D i s t a n c e ( m ) O v e r p r e s u r e ( b a r )2 4 6 8 10 12 14 16
100 150 200 250 300
Time (ms)
5 10 15 20 25 30 35 Experiment RUT21 H=12,5% BR=0.6 p=1bar T=283K
2COM-Code c=7
fExperiment
D i s t a n c e ( m ) O v e r p r e s u r e ( b a r ) D i s t a n c e ( m ) O v e r p r e s u r e ( b a r )2 4 6 8 10
150 200 250 300 350
Time (ms)
5 10 15 20 25 30 35 Experiment RUT23 H=11,2% BR=0.6 p=1bar T=283K
2Experiment COM-Code, c=6
fDistance (m) Distance (m) Distance (m)
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Δp+/p0 R (p0 / E)1/3
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Time [s] Time [s] Time [s] Time [s]
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0) (t x 0) x(t with e p kx x m e p kx
x m
load load
T t T t i i
= = = = Δ = + Δ + = =
− + − +
& & & & &
⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + ω − ω + = Δ
− +
load
t/T load load load
e t cos ωT t sin ωT ωT /k p x(t)
2 2
1 /k p x x
max +
Δ = = & &
1/2
T 2π period
k/m ω = = =
) T f( /k p x
load max
ω = Δ
+
k m t x
load
T / t
e p ) t ( p
− +
Δ =
t p(t) Δp+
scaled deformation xmax scaled loading time
T m k T = ω
T = 1 ms 5 ms
scaled deformation xmax scaled loading time
T m k T = ω
/ (P* / k)
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max = Δp+ · xmax
2 k / p xmax = Δ
+
2 max 2 2 max 2
kx 2 1 2m I kx 2 1 mv 2 1 = =
load load / max
T T ) m k ( k / p x ω = = Δ
+ 2 1
I ) km 1 ( x
1/2 max
⋅ =
Impulsive asymptote Quasistatic asymptote
load T / t
T p e p I
load
⋅ Δ = Δ =
+ ∞ − +
W.E. Baker, P.A. Cox, P.S. Westine, J.J. Kulesz, R.A. Strehlow; Explosion Hazards And Evaluation; Fundamental Studies in Engineerings, 5; Elsevier
64
64
KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) max load load max 2 1 load max
x ~ I T p T 1 x (km) p T 1 kx p = Δ = Δ ω = Δ
+ + +
2
1
2 kx p 2 1 kx p
max max
= Δ = Δ
+ +
65
65
KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH)
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KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH)
10000 Duration of positive overpressure T [ms] Positive peak overpressure Δp
+ [Pa]
10
3
10
4
10
5
10
6
Δp+ I+ t T+=2I
+/Δp+
T+
Unconfined gaseous detonations
1,4m 1,4m 2,4m 2,4m 2,8m 5.6m 4,0m 6,3m 4,0m
FZK Exp. 2g H
2
FZK Exp. 16g H
2
0.1 1 10 100 1000
Partial demolition, 50%
Major structural damage, some wrenched load bearing members fails Minor structural damage, wrenched joints and partitions 2g H
2
1 m glass breakage
Area 1m
2
4.7 mm thick Area 3m
2
4.7 mm thick
16g H
2
2 m 5 m 450 Pas 300 Pas 110 Pas
10000 [ms] Δ + [Pa] 10
3
10
4
10
5
10
6
Δp+ I+ t T+=2I
+/Δp+
T+
Unconfined gaseous detonations
1,4m 1,4m 2,4m 2,4m 2,8m 5.6m 4,0m 6,3m 4,0m
FZK Exp. 2g H
2
FZK Exp. 16g H
2
0.1 1 10 100 1000
Partial demolition, 50%
Major structural damage, some wrenched load bearing members fails Minor structural damage, wrenched joints and partitions 2g H
2
1 m glass breakage
Area 1m
2
4.7 mm thick Area 3m
2
4.7 mm thick
16g H
2
2 m 5 m
10000 [ms] Δ + 10
3
10
4
10
5
10
6
Δp+ I+ t T+=2I
+/Δp+
T+
Unconfined gaseous detonations
1,4m 1,4m 2,4m 2,4m 2,8m 5.6m 4,0m 6,3m 4,0m
FZK Exp. 2g H
2
FZK Exp. 16g H
2
0.1 1 10 100 1000
Partial demolition, 50%
Major structural damage, some wrenched load bearing members fails Minor structural damage, wrenched joints and partitions 2g H
2
1 m glass breakage
Area 1m
2
4.7 mm thick Area 3m
2
4.7 mm thick
16g H
2
2 m
10000
+[ms]
Δ + 10
3
10
4
10
5
10
6
Δp+ I+ t T+=2I
+/Δp+
T+ Δp+ I+ t T+=2I
+/Δp+
T+
Unconfined gaseous detonations
1,4m 1,4m 2,4m 2,4m 2,8m 5.6m 4,0m 6,3m 4,0m
FZK Exp. 2g H
2
FZK Exp. 16g H
2
FZK exp. 2g H2 FZK exp. 16g H 2
0.1 1 10 100 1000
Partial demolition, 50%
Major structural damage, some wrenched load bearing members fails Minor structural damage, wrenched joints and partitions 2g H2 1 m glass breakage
Area 1m
2
4.7 mm thick Area 3m
2
4.7 mm thick
16g H2 2 m 5 m 5 m 450 Pas 300 Pas 110 Pas
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KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH)
NASA 16g H2
Unconfined gaseous detonations
1,4m 1,4m 2,4m 2,4m 2,8m 5.6m 4,0m 6,3m 4,0m
FZK Exp. 2g H2 FZK Exp. 16g H2
increasing grade of injury increasing grade of injury 50 % eardrum rupture 1 % eardrum rupture
Baker
1 m 2 m 2g H2 5 m
NASA 16g H2
Unconfined gaseous detonations
1,4m 1,4m 2,4m 2,4m 2,8m 5.6m 4,0m 6,3m 4,0m
FZK Exp. 2g H2 FZK Exp. 16g H2 FZK Exp. 2g H2 FZK Exp. 16g H2
increasing grade of injury increasing grade of injury 50 % eardrum rupture 1 % eardrum rupture
Baker
1 m 1 m 2 m 2 m 2g H2 5 m 5 m
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KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH)
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KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH)
If one level of defence has been
for accident progression