Stefan Schälike. Workshop Brandschutzforschung Vereinigung zur Förderung des deutschen Brandschutzes e.v. Magdeburg, 4.-5.

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1 Vorhersage der thermischen Strahlung von KW-Poolfeuern mit CFD-Simulation Stefan Schälike Iris Vela Klaus-Dieter Wehrstedt Axel Schönbucher Workshop Brandschutzforschung Vereinigung zur Förderung des deutschen Brandschutzes e.v. Magdeburg, Oktober 2010 Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I

2 Einleitung Physikalische Vorgänge in Poolflammen Bilanzgebiete Strahlungsmodelle CFD-Simulation Experimentelles Ergebnisse und Diskussion Aufbau von Geometrie und Rechengitter Randbedingungen der Simulation Temperaturfelder Spezifische Ausstrahlung Kritische thermische Abstände Folgerungen und Ausblick Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 1/25

3 Physikalische Vorgänge in adiabaten Pool-, Lachen- und Tankfeuern _. m Abgase _ T top _. Q top Rußballen 80% N 2 T sp _ H pl SEP hot spots T hs SEP _ H pl _ H _. u Q ba,tot _ H pul Expansion von Verbrennungsprodukten Ringwirbel u F brennbares Volumen V Z Brennstoff-Ballen (T ) f, b _ H cl _ H cl Luft-Entraimnent (flüssiger) Brennstoff d Pool/Tank/Lache Pyrolysegas-Ballen Brennstoffdampf ( ~ 5 cm/s) u f Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 2/25

4 Plume und Flamme Gesamt-Energiebilanz zwischen Flamme/Plume und Pool _. Q _. Q top c I _. Q a,rad ( A - A ) SEP F top Q = Q + Q + Q ma c a,rad top ba,tot Q q A = m A ( h ) c f P f,max P c,i Q = Q + A SEP top conv top = Q + conv Q top,rad ma Brennstoffballen brennbare Flüssigkeit in Pool/Tank/ Lache._ Q ba,tot Q e A /A top P Q 0.7 conv c A ( T T ) Q = πρu r c 2 conv ax Pl Pl Pl a oder näherungsweise: top ea P Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 3/25

5 Energiebilanz zwischen klarer Verbrennungszone und Flüssigkeitsoberfläche klare Verbrennungszone Brennstoffballen ^τ BB 1._ Q ba,tot II Q = Q + Q ba,tot f,ges verl Q = Q + Q + Q ba,tot ba,rad ba, α ba, λ Q = Q + Q + Q f,ges v T λ,f Flüssigkeitsoberfläche (Phasengrenze) _. _. Q _ Q λ,f. T Q V _. Q verl Energie-Rückkopplungsmechanismus Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 4/25

6 (Semi)-empirische Strahlungsmodelle: (SFM, konventionel) x postulierte Zylinderflamme SEP ma SFM ma 4 4 SEP = ε σ( T T ) SFM a F Pool T y ma SEPSFM Anwendung: ε F = 0.95 (graue Flamme) T = 1173 K (900 C) = 100 kw/m 2 f(d, fuel) Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 5/25

7 Mittlere Bestrahlungsstärke E( y / d,d) = τat αe ϕe,f ( y / d) SEP(d) ϕ E,F = f( AF, y/d,relative Orientierung β F, β E ) 1 cosβ cosβ = π A d ( y / d) E A A F E F E 2 2 da da F E Bei der näherungsweisen Betrachtung der Flammenoberfläche als senkrechter Kreiszylinder : y y = = + d/2 d/2 1 b 1 a = H d/2 2 2 A = (b + 1) + a 2 2 B = (b 1) + a u w _ H Poolflamme β F A F d θ y 1 y β Ε Empfängerflächenelement A E Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 6/25

8 Einstrahlzahl Es folgt durch Berechnung des Doppelintegrals für ϕ E,F,h, E,F,v, ϕe,f,max : ϕ + + ϕ E,F,h = arctan arctan π b 1 AB (b + 1)B b 1 b 1 a (b 1)A 1 1 a a(a 2b) (b 1)A a b 1 ϕ E,F,v = arctan + arctan arctan π b 2 b 1 b AB (b+ 1)B b b ϕ E,F,max = ϕ E,F,h +ϕe,f,v Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 7/25

9 (Semi)-empirische Strahlungsmodell: (PSM, API 521) x 2 rad = 4π Q ye PSM y A P 0 d Pool A E y E ( y d) = rad c f,max PSM 2 k ( ) f ( h ) m 1 e für y/d > 4 (Fernfeld) 16 ( y d) dβ Anwendung: 4 d < y < 5 d bei Gas-Poolfeuern sowie Pool-Lachenund Tankfeuern E ( y d) = ϕ f ( h ) m PSM N rad c f,max für 0.5 < y/d < 4 (Nahfeld) ϕ N = H / d π ( y d) 2 Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 8/25

10 Bisherige und neue (N) Konsequenzmodelle (Thermische Strahlung) Punktquellen-Strahlungs Modell (PSM) API 521 (1969) Oberflächen-Strahlungsmodelle Zylinderflammen-Strahlungsmodell (SFM) Seeger (1971) Modifiziertes Zylinderflammen Strahlungsmodell (MSFM) Yellow Book (1992) Luminous Spots - Soot Zonen-Modell Mudan (84,95,2002) (N) OSRAMO II, OSRAMO III Schönbucher et al. (Organized Structures RAdiation Models) (85, 91, 2006) (N) Strahlungsmodell (SEP(x)) Raj (2007) (N) Strahlungsmodell (SEP(x)) Fay (2006) (N) Transiente Modelle: CFD-Modelle Schönbucher et al. z.b. SEP(x,y,t), T(x,y,z,t) (seit 2000) Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 9/25

11 Experimentelle Untersuchungen Brennstoffe: n-pentan, Superbenzin, Normalbenzin, Diesel, JP-4, LNG, DTBP Durchmesser: d = 1 m, 2.5 m, 8 m, 16 m und 25 m (a) Hochgeschwindigkeits-Fotografie zur Visualisierung momentaner VIS-Strahldichtestrukturen (0.4 μm < λ < 0.75 μm) (b) Thermografisches IR-Kamerasystem mit Videomischeinheit zur Visualisierung momentaner IR-Strahldichtestrukturen (2 μm < λ < 5.6 μm) und Überlagerung mit momentanen VIS-Strahldichtestrukturen (c) Pyroelektrische und ellipsoidale Radiometrie (0.6 μm < λ < 15 μm) zur direkten Messung zeitlich gemittelter Bestrahlungsstärken (d) Meteorologische Messstation zur Erfassung insbesondere von Windrichtung und Windgeschwindigkeit Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 10/25

12 Neue Konsequenzmodelle (CFD Simulation) Erhaltungs- Gleichungen Masse Impuls Energie Spezies Verbrennungsmodelle Mehrschritt-Chemie über Assumed PDF-Ansätze mit laminaren flamelets (112 Spezies, 800 Reaktionen) für JP-4 (20 Spezies, 42 Reaktionen) für Methan Turbulenzmodelle LES Large-Eddy-Simulation - FLUENT mit dynamischen Smagorinsky-Lilly-Submodell Scale Adaptive Simulation (SAS) -CFX Solver Coupled - CFX Segregated/ Coupled - FLUENT Strahlungsmodelle Monte Carlo Methode - CFX Discrete Ordinates Methode - FLUENT Modellierung Absorptionkoeffizient Rußmodelle Magnussen CFX Lindstedt - CFX Tesner FLUENT Moos-Brookes - FLUENT Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 11/25

13 Aufbau einer Geometrie zur numerischen Verbrennungssimulation (1) Erzeugung eines Bilanzgebietes aus zwei übereinander gesetzten Zylindern. (2) Teilung des Bilanzgebietes in vier gleiche Kompartimente (3) Anlegen eines inneren Zylinders zur Verfeinerung der direkten Umgebung der Flamme Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 12/25

14 Rechengitter zur numerischen Verbrennungssimulation block-strukturierte Hexaedergitter Außerhalb der Flamme gröber werdende Gitter (Einsparung von Zellen) Gitterverfeinerung in Bereichen hoher Geschwindigkeits- und Temperaturgradienten Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 13/25

15 Wahl der Submodelle zur numerischen Verbrennungssimulation Large Eddy Simulation (LES) mit Dynamic Smargorinsky Subgrid-Modell (Turbulenzmodell) Assumed-PDF-Verbrennungsmodell basierend auf dem Konzept des Mischungsbruches mit Flamelet-Ansatz Discrete Ordinate-Strahlungsmodell (DO) Moos-Brookes-Rußmodell Weitere wichtige Einflussgrößen: Einstellung der Unterrelaxationsfaktoren Anzahl der Iterationen pro Zeitschritt Diskretisierungsmethoden Zeitschritt Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 14/25

16 Anfangs- und Randbedingungen Simulation Anfangsbedingungen Randbedingungen Größe Wert Massenanteil N Massenanteil O p a p - p a 0 Strömungsgeschwindigkeiten Temperatur Gravitation hpa u x = u y = u z = K 9.81 m/s² Mischungsbruch f f(t=0) = 0 obere Stirnfläche + Mantelfläche ( pressure outlet ) Untere Stirnfläche + Poolrand ( wall ) Pool ( mass-flow-inlet ) p = p a 300 K open boundary conditions adiabatisch d.h. Wärmestromdichte zum Poolrand = q 0 Massenabbrandrate experimentelle Werte p = p a T = T b Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 15/25

17 Momentane Flammentemperaturen CFD-vorhergesagte momentane Isothermen eines LNG-Poolfeuers (d =30 m) t = 1.2 s Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 17/25

18 Momentane Flammentemperaturen CFD-vorhergesagte momentane Isothermen eines Kerosin-Poolfeuers (d =25 m) t = 2 s Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 18/25

19 Zeitlich gemittelte Flammentemperaturen Flammentemperaturen LNG T max,cfd d = 1m 1320 d = 6.1 m 1298 d = 30 m 1281 [K] Flammentemperaturen Kerosin T max,cfd [K] d = 2 m 1300 d = 8 m 1280 d = 16 m 1250 d = 25 m 1230 Die zeitlich gemittelte Flammentemperaturen nehmen mit steigendem Pooldurchmesser ab. CFD-vorhergesagte zeitlich-gemittelte Isothermen eines LNG-Poolfeuers (d = 30 m) Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 18/25

20 Momentane spezifische Ausstrahlung SEP CFD = SEP CFD(t) 55.4 kw m 2 70 SEP (kw/m 2 ) SEP exp = 65 kw m (S. R. Tieszen et al., Combust. Flame (2002) ) CFD-vorhergesagte momentane spezifische Ausstrahlung eines LNG-Poolfeuers (d = 1 m) Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 19/25 t (s)

21 Momentane spezifische Ausstrahlung SEP CFD CFD-vorhergesagte momentane SEP für eine Iso-Fläche T = 500 K eines LNG- Poolfeuers (d =30 m) zum Zeitpunkt t Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 20/25

22 Momentane spezifische Ausstrahlung SEP CFD CFD-vorhergesagte momentane SEP für eine Iso-Fläche T = 500 K eines LNG- Poolfeuers (d =30 m) zum Zeitpunkt t = 1.2 s Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 21/25

23 Zeitlich gemittelte spezifische Ausstrahlung SEP Für Kerosin- und JP-4- sowie für ähnlich rußende Poolfeuer zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Vorhersage und Messungen. Die auf die gesamte Flamme bezogene SEP nimmt bei LNG-Poolfeuern bis d = 35 m stetig zu. Mit weiter zunehmendem Pooldurchmesser ist aufgrund der beginnenden Rußbildung und des Rußblockierungseffektes ein Maximum der SEP zu erwarten. Schwankungen aufgrund des unterschiedlichen CH 4 -Anteils. Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 22/25

24 Kritische thermische Abstände ( y cr /d) mit Weitwinkelradiometer 1 : bisher; gesamte Flamme (JP-4) 2 : Einzelfeuer; klare Verbrennungszone (Benzin) 3 : multiples Feuer; klare Verbrennungszone (Benzin) 1.6 Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 23/25

25 Kritische thermische Abstände ( y cr /d) mit α E = 1 und τ at = 1 sowie näherungsweiser Betrachtung als senkrechten Kreiszylinder ergibt sich: y cr /d < 7.8 für SEPCFD y cr,max /d < 10.2 für SEP max,cfd Mit CFD berechnete mittlere Bestrahlungsstärke E und maximale Bestrahlungsstärke E max eine LNG-Poolfeuers (d = 30 m) als Funktion des relativen Abstandes vom Poolrand Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I Thermische Abstände sind um den Faktor 2-3 größer, als solche andere Kohlenwasserstoffe (z.b. Kerosin). 24/25

26 Folgerungen und Ausblick Momentane und zeitlich gemittelte Flammentemperaturen T,T, spezifische Ausstrahlung (SEP, ) und Bestrahlungsstärken E, E, von Poolfeuern können mit SEP CFD-Simulation vorhergesagt werden. Mit den über CFD berechneten Bestrahlungsstärken lassen sich die kritischen thermischen Abstände von Poolfeuern vorhersagen. Erweiterung der vorhandenen Submodelle: Flamelet-Ansätze für die Verbrennung von Peroxiden und Rußbildung Untersuchung der gegenwärtig nicht ausreichend untersuchten multiplen Feuer, sowohl experimentell, als auch mit CFD-Simulation. Stefan Schälike Institut für Technische Chemie I 25/25

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