The Use of the k-ω SST Turbulence Model for Mathematical Modeling of Jet Fire

• Autorzy: Lewak Michał Wojciech , Tępiński Jarosław , Klapsa Wojciech

Identyfikatory

DOI

10.12845/sft.59.1.2022.1

Warianty tytułu

PL

Wykorzystanie modelu burzliwości k-ω SST do modelowania matematycznego pożaru strumieniowego

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

Aim: The purpose of this study is to verify the usability of the k-ω SST turbulence model for the description of the combustion process during a vertical propane jet fire. Simulating a jet fire using computational fluid mechanics involves an appropriate selection of a mathematical model to describe the turbulent flow. It is important as the variables from this model also describe the rate of the combustion reaction. As a result, they have an impact on the size and shape of the flame. The selection of an appropriate model should be preceded by preliminary simulations. Project and methods: For this purpose, a vertical jet fire in no wind conditions was selected for simulation. Consequently, it was possible to develop a two-dimensional axisymmetric geometry. A good numerical mesh can be applied to such axisymmetric geometry. Selected process conditions allowed to create an axisymmetric numerical grid. Its values, proving the quality, are shown in a chart demonstrating the distribution of the parameter quality depending on the number of elements from which the numerical grid was built. In the work, a two-stage model of the combustion reaction was selected in order to verify whether the area in which the mole fraction of carbon monoxide will have significant values is so large that the selected kinetic reaction model will have an impact on the flame length. Results: Three simulations of jet fire taking place in the direction opposite to the force of gravity were performed. The simulations performed allowed for setting the basic L[f] parameter, which determines the flame length. Additionally, the length of the mixing path s[lift-off], needed to initiate the combustion reaction, was determined. The simulations performed allowed for comparing significant parameters characterizing the flame with the parameters calculated using correlations included in the literature on the subject. Due to this comparison, it was possible to define an interesting scope of research work, because the length of the gas mixing path determined from the CFD simulation differed significantly from the values calculated from the correlation. Conclusions: Interestingly, such large differences between CFD results and correlations were not observed for the L[f] parameter. The correlations based on the Froude number give slightly higher values of the flame length than the results of the CFD simulation. On the other hand, the correlation based on the Reynolds number gives slightly lower values of the L[f] parameter than the values obtained from the CFD calculations. This may indicate that the effects related to the inertia forces (Re number) better describe the simulation process conditions than the correlations based on the influence of inertia forces and gravity forces (Fr number).

PL

Cel: Celem tego opracowania jest sprawdzenie przydatności modelu k-ω SST do opisu procesu spalania podczas pionowego pożaru strumieniowego propanu. Symulacja pożaru strumieniowego przy pomocy obliczeniowej mechaniki płynów wiąże się z odpowiednim wyborem modelu matematycznego służącego do opisu przepływu burzliwego. Jest to o tyle ważne, że zmienne z tego modelu opisują również szybkość reakcji spalania, a więc mają wpływ na rozmiar i kształt płomienia. Dobór odpowiedniego modelu powinien być poprzedzony symulacjami wstępnymi. Projekt i metody: Do symulacji wybrano pionowy pożar strumieniowy w warunkach bezwietrznych. Dzięki temu opracowana została dwuwymiarowa osiowosymetryczna geometria, na którą możliwe jest nałożenie dobrej siatki numerycznej. Wybrane warunki procesowe pozwoliły na stworzenie osiowosymetrycznej siatki numerycznej, której wartości świadczące o jakości uwidoczniono na wykresie przedstawiającym rozkład jakości parametru w zależności od liczby elementów, z jakich zbudowano siatkę numeryczną. Na podstawie dwuetapowego modelu reakcji spalania sprawdzono, czy obszar, w którym ułamek molowy tlenku węgla będzie miał duże wartości wpłynie na długość płomienia w wybranym modelu kinetycznym reakcji. Wyniki: Wykonane zostały trzy symulacje pożaru strumieniowego odbywającego się w kierunku przeciwnym do działania sił grawitacji. Pozwoliły one na wyznaczenie podstawowego parametru L[f] , który określa długość płomienia. Dodatkowo wyznaczona została długość drogi mieszania s[lift-off], która jest niezbędna do zapoczątkowania reakcji spalania. Wykonane symulacje pozwoliły na porównanie istotnych parametrów charakteryzujących płomień z parametrami obliczonymi przy pomocy korelacji zawartych w literaturze przedmiotu. Wnioski: Porównanie wyżej wymienionych parametrów umożliwiło określenie ciekawego zakresu pracy badawczej, ponieważ wyznaczona z symulacji CFD długość drogi mieszania gazu znacząco różniła się od wartości obliczonych z korelacji. Co ciekawe, tak dużych rozbieżności między wynikami CFD a korelacjami nie zaobserwowano dla parametru L[f] . Przy czym korelacje oparte o liczbę Froude’a podają nieco większe wartości długości płomienia niż wyniki symulacji CFD. Natomiast korelacja oparta o liczbę Reynoldsa podaje nieco mniejsze wartości parametru L[f] niż wartości otrzymane z obliczeń CFD. Może to świadczyć o tym, że efekty związane z siłami bezwładności (liczba Re) lepiej opisują warunki procesowe niż korelacje oparte o wpływ sił bezwładności i sił ciężkości (liczba Fr).

Słowa kluczowe

EN

jet fire; mathematical modelling; computational fluid dynamics

PL

pożar strumieniowy; modelowanie matematyczne; obliczeniowa mechanika płynów

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Safety & Fire Technology
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 59, iss. 1
• Strony: 28--40
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Lewak Michał Wojciech

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemical and Process Engineering / Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej

• https://orcid.org/0000-0001-9012-8347

autor

Tępiński Jarosław

• Scientific and Research Centre for Fire Protection – National Research Institute / Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej – Państwowy Instytut Badawczy

• https://orcid.org/0000-0002-5005-2795

autor

Klapsa Wojciech

• Scientific and Research Centre for Fire Protection – National Research Institute / Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej – Państwowy Instytut Badawczy

• https://orcid.org/0000-0002-6481-587X

Bibliografia

• [1] Cumber P.S., Spearpoint M., A computational flame length methodology for propane jet fires, „Fire Safety Journal” 2006, 41, 215, https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2006.01.003.
• [2] Kalghatgi G., Lift-off Heights and Visible Lengths of Vertical Turbulent Jet Diffusion Flames in Still Air, „Combustion Science and Technology” 1984, 41, 17, https://doi.org/10.1080/00102208408923819.
• [3] Magnussen B.F., Hjertager B.H., On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion, „Symposium (International) on Combustion” 1977, 16 (1), 719, https://doi.org/10.1016/S0082-0784(77)80366-4.
• [4] Mashhadimoslem H., Ghaemi A., Behroozi A.H. i in., A New simplified calculation model of geometric thermal features of a vertical propane jet fire based on experimental and computational studies, “Process Safety and Environmental Protection” 2020, Vol. 135, 301, https://doi.org/10.1016/j.psep.2020.01.009
• [5] Mashhadimoslem H., Ghaemi A., Palacios A., Analysis of deep learning neural network combined with experiments to develop predictive models for a propane vertical jet fire, „Heliyon” 2020, 6, e05511, https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e05511.
• [6] Palacios A., Casal J., Assessment of the shape of vertical jet fires, „Fuel” 2011, 90, 824, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2010.09.048.
• [7] Palacios A., Munoz M., Darbra R.M. i in., Thermal radiation from vertical jet fires, „Fire Safety Journal” 2012, 51, 93, https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2012.03.006.
• [8] Palacios A., Munoz M. , Casal J., Jet fires: An experimental study of the main geometrical features of the flame in subsonic and sonic regimes, „AIChE” 2009, 55 (1), 256, https://doi.org/10.1002/aic.11653.
• [9] Russo F., Basse N.T., Scaling of turbulence intensity for low-speed flow in smooth pipes, „Flow Measurement and Instrumentation” 2016, 52, 101, https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2016.09.012.
• [10] Sonju O.K., Hustad J.E., An experimental study of turbulent jet diffusion flames, „American Institute of Aeronautics and Astronautics” 1985, https://doi.org/10.2514/5.9781600865701.0320.0339.
• [11] Vogel E. i in., Reference Correlation of the Viscosity of Propane, „Journal of Physical and Chemical Reference Data” 1998, 27, 947, https://doi.org/10.1063/1.556025.
• [12] Zhang B., Liu Y., Laboureur D. i in., Experimental Study on Propane Jet Fire Hazards: Thermal Radiation, „Industrial & Engineering Chemistry Research” 2015, 54, 9251, https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b02064.
• [13] https://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/th/node115.htm [dostęp: 16.03.2022].

Uwagi

The publication was prepared under the project No. DOBBIO7/09/03/2015 entitled “Program for the assessment of the risk of accidents in industrial facilities posing a threat outside their area” financed by the National Centre for Research and Development / Publikacja została opracowana w ramach projektu nr DOB-BIO7/09/03/2015 pod tytułem „Program do oceny ryzyka wystąpienia awarii w obiektach przemysłowych stwarzających zagrożenie poza swoim terenem” finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.