A Numerical Investigation of Turbulent Combustion in Pool Fires using OpenFOAM
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3036611Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Brann er en faretype som kan p˚aføre store økonomiske tap og føre til tap av liv.Økt kunnskap rundt nøyaktig modellering av brann er ett av de første stegene for˚a f˚a en bedre innsikt i dens mekanismer og gir bedre beslutningsgrunnlag i in-geniørsammenheng. Væskedamsbrannn er en av de større forbrennings kategorieneog er den vanligste ulykkes˚arsaken i prosessindustrien. Denne masteroppgaven harsom form˚al ˚a undersøke gjennomførbarheten av simulering av væskedamsbrann isimuleringsverktøyet OpenFOAM.
Den numeriske løseren brukt i OpenFOAM heter buoyantReactingFoam og inkluderermodeller for oppdrift, noe som er viktig for væskedamsbrann da dette er den domin-ante faktoren som driver strømningen. Modellene anvendt i det numeriske oppsettetinkluderer Reynolds midlet Navier-Stokes simulering med bruk av en detaljert kjemiskreaksjonsmekanisme, og eddy dissipation concept (EDC) som forbrenningsmodell.Geometrien og parameterene benyttet i det numeriske oppsettet er basert p˚a tidli-gere eksperimentelt arbeid presentert av Weckman og Strong. Detaljer i oppsettetinkluderer en sk˚al med diameter p˚a 30.5 cm fylt med metanol, der væskeniv˚aetholdes i en konstant høyde ved en innmatingsrate p˚a 1.35 cm 3 /s, noe som gir entotal effekt p˚a 24.6 kW.
Geometrien i det numeriske oppsettet har blitt antatt˚a være aksesymmetrisk og sim-ulert som formen av en kile. Flere forskjellige numeriske oppsett har blitt fremstilt dadet oppsto problemer med˚a opprettholde forbrenning i modellen. Tre ulike oppsetter presentert. I den første er forbrenningsmodellen byttet til en uendelig rask for-brenningsmodell. Resultatene fra dette er ikke-fysiske da forbrenningstemperaturenoversteg den adiabatiske flammetemperaturen for metanol. Den andre oppsettetinkluderte ingen forenklinger, men viste seg ˚a være numerisk ustabilt, noe sommest sannsynlig skyldes metoden brukt til p˚atenning. Det siste oppsettet presen-tert inkluderte heller ingen forenklinger, men forbeningen kunne ikke opprettholdesetter p˚atenning. Det tilsvarer da et tilfelle med kald, ikke reagerende strømning.Resultatene presentert var lite forenlig med tidligere eksperimentelle- og numeriskedata tilgjengelig. Mulige grunner til dette er diskutert. Fires are a category of hazards that pose a large danger to human life and causetremendous economic harm. Improved knowledge in the area of accurate modelingof fires is a first step towards gaining insight into its mechanisms and allows betterdecisions to be taken in an engineering context. Pool fires are one of the largercanonical fire categories and are the most common of all process industry accidents.This thesis aims to investigate the feasibility of conducting simulations of pool firesusing the OpenFOAM simulation toolbox.
The numerical solver used in OpenFOAM is the buoyantReactingFoam solver, whichincludes the treatment of buoyancy. This is of importance for pool fires since buoy-ancy is the dominating factor driving the flow. The models used in the numericalsetup include a Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) simulation using a de-tailed finite rate chemistry reaction mechanism for methanol with the eddy dissip-ation concept (EDC) model for combustion. The geometry and parameters in thecase setup are based on previous experimental work conducted by Weckman andStrong. Details of the setup include a pan with a diameter of 30.5 cm filled withmethanol, kept at a constant level with a feed rate of 1.35 cm 3 /s for a total heatrelease rate is 24.6 kW.
The geometry of the case has been assumed axisymmetrical and is simulated as awedge. Several different case setups have been created as problems with sustainingthe combustion were experienced. Three partial cases were presented. The firstcase presented includes a change of combustion model to infinitely fast, the result ofwhich was non-physical as the temperature field greatly exceeded the adiabatic flametemperature for methanol. The second case presented included no simplificationsbut proved numerically unstable, likely influenced by the ignition method. The finalcase presented included no simplifications and did not sustain combustion, beingequivalent to a cold non-reacting flow. The results showed poor agreement withexperimental- and numerical data available. Possible reasons for this are discussed.