CFD Tankputbrand; Toelichting CFD en validatie Ed Komen - NRG
Rene Sloof – Antea Group Symposium Warmtecontouren Rozenburg, 3 april 2014
2
Inhoud • • • •
Wat is CFD? / Hoe werkt CFD? NRG’s CFD Services Team Samenwerking Save - NRG Validatie van CFD modellering – Brand – Gas explosies – Verspreiding brandbare / toxische gassen
• Toepassingen
3
Hoe werkt CFD?
• Voorbeeld: zog • Gebruik van rekencellen • Elke rekencel: berekening snelheid m.b.v. universele behoudswetten • Principe eenvoudig, echter….
Hoe werkt CFD?
• Kleine details in zog hele kleine rekencellen • In de praktijk grotere rekencellen noodzakelijk • Effect turbulentie sub-cel met turbulentie-model • Effect verbranding sub-cel met verbrandingsmodel
6
CFD: Computational Fluid Dynamics • 3 stappen – Pre-processing computermodel • • • •
Scenario’s Geometrisch model Vloeistoffen / gassen / materialen Keuze sub-modellen
– Processing / solving
– Post-processing • Visualisatie / interpretatie rekenresultaten • Advies • Rapportage 7
CFD: wat is nodig? • CFD Ingenieur / expert – Goede kennis fysische transportverschijnselen – Goede kennis CFD technologie – Ervaring in CFD en interpretatie van resultaten Fire room gas Temperature at different height - FDS (FR_TG) Vs. Experiment 550 FR_TG_NW_055 Exp_NW_055 FR_TG_NW_105 Exp_NW_105 FR_TG_NW_305 Exp_NW_305
500
• Gevalideerde CFD modellen
450 Temp (K) 400
350
300 0
• CFD software
500
1000
1500 Time (sec)
2000
2500
• Computers
8
3000
NRG’s CFD Services Team • ~10 ervaren CFD specialisten – Internationaal – ~3 master studenten • USP’s van het CFD Services Team – Kennisbasis – gevalideerde CFD modellen – High performance computer cluster met 1000 cores – Mogelijkheid van complementaire experimenten
Samenwerking Save - NRG • Aandeel Save – Leveren Uitgangspunten t.b.v. simulatie • Stoffen • Scenario's • Omgeving van het scenario – Vertalen van de resultaten naar concrete adviezen
• Aandeel NRG – – – –
Validatie van de uitgangspunten CFD uitvoering door specialisten Validatie van de resultaten Hardware
10
Validatie: Brand PRISME project IRSN (Fr.)
Validatie: Brand CFD validatie voor brand Fire room oxygen concentration - FDS (FR_O2) vs. Experiment at the upper layer
Fire room gas Temperature at different height - FDS (FR_TG) Vs. Experiment 550
22.00 FR_TG_NW_055 Exp_NW_055 FR_TG_NW_105 Exp_NW_105 FR_TG_NW_305 Exp_NW_305
500
450
FR_O2_SE_330 20.00 FR_O2_Experimental-Upper 18.00 Vol % 16.00
Temp (K) 400
14.00 350
12.00 300 0
500
1000
1500 Time (sec)
2000
2500
3000
10.00 0
200
400
600
800
1000 Time (s)
1200
1400
1600
1800
2000
Validatie: Brand CFD validatie voor brand Plasbrand, 8 m diameter, diesel
Validatie van de berekende stralingscontouren
Validatie: Gas explosies CFD validatie voor gas explosies
ignition
ENACCEF Faciliteit 14
Vlamfront voortplanting
Validatie: Gas explosies
Adiabatische wanden
Kleine tijdsverschuiving als gevolg versimpeld model voor ontsteking
Piek druk en druk stijging worden goed voorspelt
15
Validatie: Gas explosies
simulaties reproduceren: • 1ste en 2de Eigen-frequentie van de drukgolven • Amplitudes van de drukgolven 16
Ondergrondse gas explosie • Gangen gevuld met heptaan – lucht gasmengsel • Doel: bepaling van de effecten aan de oppervlakte bij en explosie in een gang surface surface
ignition
17
Ondergrondse gas explosie Voortplanting drukgolf in de gang
ignition
CFD analyses tonen aan: • Druk golf is niet sterk genoeg om de oppervlakte te bereiken • Geen verbrande / onverbrande gassen komen naar buiten
18
Brand Tankput
Brand in tankpunt als gevolg van lekkage van één van de tanks Doel: bepaling stralinscontouren Ten behoeve van aanvalsplan brandweer
19
Dank voor uw aandacht. Heeft u vragen of opmerkingen?
Tankputbrand simulatie Case BTT
Modellering met Phast (Safeti-NL) Het tankputbrand scenario is gemodelleerd met een zuid westen windrichting en een weerklasse D5. Diameterplas - 114 meter 10 kW/m2 ligt op 104 meter 3 kW/m2 ligt op 211 meter
Door cirkelvormige benadering is de contour overschat voor de tanks in het midden en onderschat voor tanks aan de buitenzijde
Uitgangspunten Model Het model bestaat uit ruim 6 miljoen rekencellen. Domein Voor brandsimulaties in open terrein moet het domein groot zijn: het domein is 1.5 km bij 1.5 km en 600 m hoog. Rekencellen In elk van de rekencellen worden de Navier-Stokes transportvergelijkingen opgelost voor snelheid in drie richtingen, temperatuur, turbulentie, gascomponenten (brandstof, waterdamp, kooldioxide, roet, zuurstof en stikstof), en straling. Omvang rekenwerk Dit betekent dat in elk van de 6 miljoen rekencellen de waarden bekend zijn van de genoemde variabelen.
Uitgangspunten Windmodel Aan één kant van het domein blaast wind met een atmosferisch grenslaag profiel. Dit houdt in dat de snelheid toeneemt als functie van de hoogte. Op 10 meter hoog is de windsnelheid 5 m/s. Brandstof In de tankput wordt 0,092 kg/m2/s brandstof toegevoerd. De verbranding daarvan wordt berekend door Fluent. Warmtestraling Bij de verbranding komt warmte vrij en de brandstof wordt verbrand tot waterdamp, kooldioxide en roet. Door de hoge temperatuur stralen deze componenten warmte naar de omgeving.
Resultaten Schaduw effecten opslagtanks, 1 kW/m2 contour
Resultaten 3 kW/m2 contour. Belangrijk bij de beoordeling van de inzetstrategie van de brandweer. Vanuit het blauwe gebied (< 3kW/m2) is de tankput benaderbaar.
Resultaten 4 kW/m2 contour. De warmteflux op de naastliggende tankput is circa 1 tot 2 kW/m2.
Resultaten 10 kW/m2 contour. Een duidelijk verschil met Phast.
Resultaten Onverbrande brandstof. Tussen de tanks ontstaat een tekort aan zuurstof door de kleine ruimte. Het product verbrandt pas op een grotere afstand.
Resultaten 800K - 1000K - 1200K temperatuur profiel
Resultaten Bewegende beelden Route rookpluim
Resultaten Verticale doorsnede van het CO2-profiel. Zo is af te leiden waar de daadwerkelijke verbranding plaatsvindt. Vergelijkbaar met verticale temperatuurprofiel.
Resultaten Verticale doorsnede van het temperatuurprofiel. Daar waar de meeste verbranding plaatsvindt, is de hoogste temperatuur terug te vinden.
Resultaten Bewegende beelden Vlammen gevisualiseerd samen met rook
Bedankt voor uw aandacht Vragen?
[email protected], +31 6 22937838
