A Numerical Investigation of Turbulent Combustion in Pool Fires using OpenFOAM

Abstract

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 kategoriene og er den vanligste ulykkes˚arsaken i prosessindustrien. Denne masteroppgaven har som form˚al ˚a undersøke gjennomførbarheten av simulering av væskedamsbrann i simuleringsverktøyet OpenFOAM.

Den numeriske løseren brukt i OpenFOAM heter buoyantReactingFoam og inkluderer modeller for oppdrift, noe som er viktig for væskedamsbrann da dette er den domin- ante faktoren som driver strømningen. Modellene anvendt i det numeriske oppsettet inkluderer Reynolds midlet Navier-Stokes simulering med bruk av en detaljert kjemisk reaksjonsmekanisme, 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 oppsettet inkluderer en sk˚al med diameter p˚a 30.5 cm fylt med metanol, der væskeniv˚aet holdes i en konstant høyde ved en innmatingsrate p˚a 1.35 cm 3 /s, noe som gir en total 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 da det oppsto problemer med˚a opprettholde forbrenning i modellen. Tre ulike oppsett er presentert. I den første er forbrenningsmodellen byttet til en uendelig rask for- brenningsmodell. Resultatene fra dette er ikke-fysiske da forbrenningstemperaturen oversteg den adiabatiske flammetemperaturen for metanol. Den andre oppsettet inkluderte ingen forenklinger, men viste seg ˚a være numerisk ustabilt, noe som mest sannsynlig skyldes metoden brukt til p˚atenning. Det siste oppsettet presen- tert inkluderte heller ingen forenklinger, men forbeningen kunne ikke opprettholdes etter p˚atenning. Det tilsvarer da et tilfelle med kald, ikke reagerende strømning. Resultatene presentert var lite forenlig med tidligere eksperimentelle- og numeriske data tilgjengelig. Mulige grunner til dette er diskutert.

Fires are a category of hazards that pose a large danger to human life and cause tremendous economic harm. Improved knowledge in the area of accurate modeling of fires is a first step towards gaining insight into its mechanisms and allows better decisions to be taken in an engineering context. Pool fires are one of the larger canonical fire categories and are the most common of all process industry accidents. This thesis aims to investigate the feasibility of conducting simulations of pool fires using the OpenFOAM simulation toolbox.

The numerical solver used in OpenFOAM is the buoyantReactingFoam solver, which includes 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 numerical setup 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 the case setup are based on previous experimental work conducted by Weckman and Strong. Details of the setup include a pan with a diameter of 30.5 cm filled with methanol, kept at a constant level with a feed rate of 1.35 cm 3 /s for a total heat release rate is 24.6 kW.

The geometry of the case has been assumed axisymmetrical and is simulated as a wedge. Several different case setups have been created as problems with sustaining the combustion were experienced. Three partial cases were presented. The first case presented includes a change of combustion model to infinitely fast, the result of which was non-physical as the temperature field greatly exceeded the adiabatic flame temperature for methanol. The second case presented included no simplifications but proved numerically unstable, likely influenced by the ignition method. The final case presented included no simplifications and did not sustain combustion, being equivalent to a cold non-reacting flow. The results showed poor agreement with experimental- and numerical data available. Possible reasons for this are discussed.