Numerical modeling of dispersion process for different density of gas mixtures – 2d and 3d numerical approach

• Autorzy: Polańczyk A. , Salamonowicz Z. , Dmochowska A. , Makowski R.

Warianty tytułu

PL

Numeryczne modelowanie dyspersji gazów o różnej gęstości w ujęciu dwuwymiarowym i trójwymiarowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The dispersion of the toxic gases due to the natural/industrial accidents can have the tragic consequences. To prevent the effects of these disasters different approaches have been introduced in the literature. In this paper we aimed to prepare the Computational Fluid Dynamics (CFD) the model of emergency escape of toxic gases of different density, e.g. the chlorine and the ammonia. The Aloha and Ansys-Fluent software for multiphase transport description was applied. For 2d simulation the Degadis model was used, while for the 3d approach the multiphase Volume of Fluid model (VOD) was applied. For the reconstruction of atmospheric conditions different air velocity (flowing in one direction) was included according to the Pasquil Stability Class. Moreover, different wind conditions were compared with the windless conditions. The comparison of the dispersion process for two gases with different density, for the same mathematical domain, indicated the different volume concentration in function of the height and the wind velocity. The implications of the spreading pattern from the risk assessment and risk mitigation point of view were discussed. With the increase of height and wind velocity, a decrease of gas concentration for both gases was observed. Moreover, for the ammonia for the windless case, the volume fraction profile was irregular, while for the chlorine the circular profile was observed. With the increase of the wind value, the shape of the ammonia and the chlorine profile became narrower. Similar, as it was for the two-dimensional model wider cloud for the ammonia compared to the chlorine was observed.

PL

Dyspersja toksycznych gazów w wyniku awarii przemysłowych lub naturalnych katastrof może prowadzić do tragicznych konsekwencji. W celu zapobiegania tego typu zdarzeniom w literaturze fachowej proponowane są różne rozwiązania. Celem niniejszego artykułu było opracowanie matematycznego modelu dla procesu awaryjnego uwolnienia gazów toksycznych, tj. chlor i amoniak. W badaniach analizowano dwa podejścia, tj. dwuwymiarowy i trójwymiarowy opis zjawiska dyspersji gazu. W tym celu zastosowano oprogramowanie Aloha i Ansys-Fluent. Do dwuwymiarowego opisu zjawiska dyspersji gazu wykorzystano model Degadisa, a dla trójwymiarowego opisu zjawiska dyspersji model VOF. W celu rekonstrukcji rzeczywistych warunków atmosferycznych zastosowano różne prędkości przepływu powietrza, zgodnie z klasami stabilności Pasquila. Co więcej, w badaniach uwzględniono również przypadek bez przepływu wiatru. Porównanie procesu dyspersji dwóch gazów o różnej gęstości dla takiej samej domeny obliczeniowej wskazuje na różny układ stężeń analizowanych gazów w funkcji wysokości, a także prędkości wiatru. Zaobserwowano, iż wraz ze wzrostem wysokości i prędkości wiatru malało stężenie obu analizowanych gazów. Co więcej, dla amoniaku w bezwietrznym przypadku profil stężenia miał kształt nieregularny. Wraz ze wzrostem prędkości wiatru kształt profilu stężenia amoniaku i chloru stawał się coraz węższy. Zarówno dla modelu dwuwymiarowego, jak i dla modelu trójwymiarowego zaobserwowano, iż profil stężenia amoniaku był szerszy w porównaniu z profilem stężenia chloru.

Słowa kluczowe

EN

Ammonia dispersion; chlorine dispersion; emergency gas release; 2d dispersion; 3d dispersion; CFD

PL

dyspersja amoniaku; dyspersja chloru; uwolnienie awaryjne gazu; dyspersja 2d; dyspersja 3d; CFD

• Wydawca: Szkoła Główna Służby Pożarniczej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe SGSP / Szkoła Główna Służby Pożarniczej
• Rocznik: 2018
• Tom: Nr 66 (tom 1) (2)
• Strony: 23--37
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Polańczyk A.

• Faculty of Fire Safety Engineering The Main School of Fire Service

autor

Salamonowicz Z.

• Faculty of Fire Safety Engineering The Main School of Fire Service

autor

Dmochowska A.

• Faculty of Fire Safety Engineering The Main School of Fire Service

autor

Makowski R.

• Faculty of Fire Safety Engineering The Main School of Fire Service

Bibliografia

• [1] Balachandar, S., Eaton, J.K., 2010. Turbulent Dispersed Multiphase Flow, Annual Review of Fluid Mechanics 42, 23.
• [2] Biao He, Xin-Sheng Jiang, Guo-Rui Yang, Xu, J.-N., 2017. A numerical simulation study on the formation and dispersion of flammable vapor cloud in underground confined space. Process Safety and Environmental Protection 107, 11.
• [3] Biao Sun, Ranjeet P. Utikara, Vishnu K. Pareeka, Guob, K., 2013. Computational fluid dynamics analysis of liquefied natural gas dispersion for risk assessment strategies, Journal of Loss Prevention in the Process Industries 26, 12.
• [4] Daskirana, C., I-Han Liu, Oztekin, A., 2017. Computational study of multiphase flows over ventilated translating blades, International Journal of Heat and Mass Transfer 110, 14.
• [5] Fox, R.O., 2014. On multiphase turbulence models for collisional fluid– particle flows, Journal of Fluid Mechanics 5, 57.
• [6] Ganta, S.E., Narasimhamurthyb, V.D., Skjoldb, T., Jamoisc, D., Proust, C., 2014. Evaluation of multi-phase atmospheric dispersion models for application to Carbon Capture and Storage, Journal of Loss Prevention in the Process Industries 32, 23.
• [7] Krügera, E., Rohinton, E., 2013. Accounting for atmospheric stability conditions in urban heat island studies: The case of Glasgow, UK, Landscape and Urban Planning 117, 10.
• [8] Labovský, J., Jelemenský, L., 2010. CFD simulations of ammonia dispersion using “dynamic” boundary conditions, Process Safety and Environmental Protection 88, 10.
• [9] Lovreglio, R., Ronchi, E., Maragkos, G., Beji, T., Merci, B., 2016. A dynamic approach for the impact of a toxic gas dispersion hazard considering human behaviour and dispersion modeling, Journal of hazardous materials 318, 758–771.
• [10] Polanczyk, A., Wawrzyniak, P., Zbicinski, I., 2013. CFD analysis of dust explosion relief system in the counter-current industrial spray drying tower, Drying Technology 31, 10.
• [11] Pontiggia, M., Derudi, M., Alba, M., Scaioni, M., Rota, R., 2010. Hazardous gas releases in urban areas: assessment of consequences through CFD modeling, Journal of hazardous materials 176, 589–596.
• [12] Salamonowicz, Z., Kotowski, M., Polka, M., Barnat, W., 2015. Numerical simulation of dust explosion in the spherical 20l vessel, Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences 63, 5.
• [13] Siddiqui, M., Jayanti, S., Swaminathan, T., 2012. CFD analysis of dense gas dispersion in indoor environment for risk assessment and risk mitigation, Journal of hazardous materials 209–210, 177–185.
• [14] Steven R. Hanna, Olav R. Hansen, Mathieu Ichardb, 2009. CFD model simulation of dispersion from chlorine railcar releases in industrial and urban areas, Atmospheric Environment 43, 9.
• [15] Steven R. Hannaa, Olav R. Hansenb, Mathieu Ichard, Strimaitis, D., 2009. CFD model simulation of dispersion from chlorine railcar releases in industrial and urban areas, Atmospheric Environment 43, 9.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).