Simulation of transport, evaporation, and combustion of liquids in large-scale fire incidents

Abstract

Combustible liquids are often present in large quantities in industrial facilities and in transportation. Leaks, vessel ruptures, transportation accidents and terrorist attacks involving liquids may lead to large scale fire incidents. Analyses of such incidents are needed in the safety analyses of nuclear power plants and other critical infrastructure. However, large scale incidents may be outside the area of validity of empirical models. Development and validation of numerical simulation methods are therefore needed. This thesis has two objectives. The first is to develop and validate spray boundary conditions that can be used to model spray injection of water mist systems or for modeling liquid dispersal. The second is to predict burning rates of liquid pool fires starting from first principles. Large eddy simulation is used for the Eulerian gas phase solution and Lagrangian particle tracking for the sprays. The spray model is developed and validated using data from experiments on high-pressure water mist nozzles and liquid-filled missile impacts. Suitable droplet size distributions and initial velocities for use in spray simulations are determined from experimental data. The spray structure and entrainment into the sprays are predicted with reasonable accuracy. The conclusion is that liquid dispersal from missile impacts can be simulated using the same spray models as for water mist sprays. The burning rate of the liquid pool is calculated on the basis of vapor pressure and a mass transfer calculation at the liquid surface. One dimensional heat transfer by conduction and radiation within the liquid is considered. Effective absorption coefficients are determined for use with a one-dimensional radiation transport equation. An enhanced thermal conductivity model accounts for in-depth convective heat transfer. The conclusion is that inclusion of spectrally resolved radiation calculations and of lateral convection may be necessary for predicting the temporal development of the burning rate. Finally, the models are applied to the full-scale simulation of an airplane impact on a nuclear island. The predicted fireball lifetimes and sizes compare favorably with available empirical correlations. A significant amount of the fuel involved accumulates on the surfaces around the impact point.

Palavia nesteitä esiintyy usein suurissa määrin teollisuuslaitoksissa ja liikenteessä. Vuodot, astian repeytymät, liikenneonnettomuudet ja terrori-iskut voivat johtaa suuriin palavan nesteen onnettomuuksiin. Tällaisten vaaratilanteiden vaikutusten arviointia tarvitaan ydinvoimaloiden ja muiden kriittisten infrastruktuurien turvallisuusanalyyseissa. Tällaiset onnettomuusskenaariot voivat kuitenkin olla empiiristen mallien pätevyysalueen ulkopuolella. Tämän vuoksi tarvitaan numeeristen simulointimenetelmien kehittämistä ja validointia. Tällä opinnäytetyöllä on kaksi tavoitetta. Ensimmäinen tavoite on kehittää ja validoida vesisuihkureunaehto, jota voidaan käyttää vesisumujärjestelmien simuloinnissa tai nesteiden leviämisen mallintamiseen. Toinen tavoite on ennustaa nestealtaiden palamisnopeudet lähtien fysikaalisista perusteista. Kaasufaasin simuloinnissa käytetään suurten pyörteiden menetelmää (LES) ja pisaroiden simulointiin LE (Lagrangian-Eulerian) -menetelmää. Suihkumalli kehitetään ja validoidaan käyttäen koetuloksia, jotka saadaan korkea-paineisilla vesisumuttimilla ja vedellä täytetyillä missiileillä tehdyistä kokeista. Kokeellisista tuloksista määritetään oikeat pisarakokojakaumat ja lähtönopeudet, joita käytetään simulaatioissa. Malli ennustaa vesisuihkujen rakenteen ja ilman laahautumisen kohtuullisella tarkkuudella. Johtopäätöksenä on, että törmäyksen aiheuttamaa nesteen leviämistä voidaan simuloida käyttämällä samoja suihkumalleja kuin vesisumu-jen suihkujenkin simuloinnissa. Nestemäisen altaan palamisnopeus lasketaan höyrynpaineen ja massansiirtomallin perusteella nestepinnalla. Malli ottaa syvyyssuunnassa huomioon johtumisesta aiheutuvan lämmönsiirron ja lämpösäteilyn absorption nesteessä. Mallia varten kehitetään tehollisia absorptiokertoimia. Konvektio nesteessä pyritään ottamaan huomioon tehollisen lämmönjohtavuuden avulla. Johtopäätöksenä on, että säteilyn aallonpituusriippuvuuden ja nesteen liikkeen huomioiminen voi olla tarpeen palamisnopeuden ajallisen kehityksen ennustamiseksi.Kehitettyjä malleja sovelletaan ydinvoimalaitokseen kohdistuvan lentokonetörmäyksen simulointiin. Ennustetut tulipallon kestoajat ja halkaisijat vastaavat melko hyvin empiirisiä malleja. Merkittävä määrä polttoainetta kertyy törmäyspisteen ympärillä oleville pinnoille.