NAERINGSPH-Nærings-phd

Konsekvensmodellering kan gi både et kvantitativt og kvalitativt bilde av skadene etter en ulykke, for eksempel trykkskader på bygninger etter en industriell gasseksplosjon. Den mest avanserte måten å beregne konsekvensene av en gasseksplosjonsulykke på innebærer å kjøre 3D-simuleringer med en numerisk modell som løser differensialligninger for strømning og forbrenning i tid og rom. Det kommersielle simuleringsverktøyet FLACS, som er brukt i dette prosjektet, består av en slik numerisk modell. Å simulere en ulykke på industriell skala (opp til en størrelsesorden på 100 m x 100 m x 50 m) krever svært mye regnekraft. Derfor må vi forenkle den numeriske modellen så mye vi kan, og bytte ut noen av de komplekse differensialligningene med enkle, algebraiske uttrykk. Disse uttrykkene kan være basert på observasjoner fra eksperimenter eller enkle teoretiske sammenhenger basert på antagelser. I dette prosjektet bruker vi både eksperimenter og teori for å forbedre disse enkle algebraiske uttrykkene, og formulere nye, slik at modellen kan representere mer av den komplekse fysikken og kjemien som er involvert i gasseksplosjoner. Spesielt ser vi på hvordan ustabiliteter og turbulens i strømningen påvirker konsekvensene av en gasseksplosjon. I ustabile situasjoner vil små perturbasjoner kunne vokse fra en likevektsstilling, og etterhvert få store konsekvenser for systemet. Dette skjer blant annet når en flammefront blir akselerert utover i en gasseksplosjon, og vil føre at eksplosjonen går raskere og raskere (og derfor blir mer ødeleggende). Ustabiliteter vil kunne ha forskjellig effekt på forskjellige gass-luft-blandinger og for forskjellige strømningshastigheter. I rike propan-luft-blandinger spiller ustabilitetseffekter muligvis en enda større rolle for flammeakselerasjonen enn det forbrenningsmodellene i simuleringsverktøyet FLACS tar høyde for i dag. Dette er viktige effekter, både i den første fasen etter eksplosjonen har startet, og for turbulent forbrenning senere i eksplosjonsforløpet. Fire serier med eksplosjonsforsøk, med rike propan-luft-blandinger, ble derfor gjennomført i dette prosjektet. De eksperimentelle resultatene bekreftet at konsentrasjonseffekter er viktige for propan-luft-blandinger og at modeller for dette må utvikles videre i FLACS. Nye modeller ble foreslått og implementert, og den oppdaterte versjonen av FLACS ga bedre samsvar mellom modell og virkelighet. En rekke ustabilitetsmekanismer kan potensielt skape høye flammehastigheter og ødeleggende trykkbølger i prosessanlegg med omkringliggende vegetasjon. Effekten av vegetasjon på flammeforplantning ble et tema etter Buncefield-ulykken i England i 2005, siden undersøkelser tyder på vegetasjonen i området bidro til de store ødeleggelsene. En rekke forsøk ble gjennomført i dette prosjektet med gran-greiner satt inn i gasseksplosjonene. Eksperimentene ble så modellert, og en metode for å beregne det turbulensgenererende bidraget fra vegetasjon ble utviklet. Resultatene viser at det kan være nødvendig å ta med effekten av barnålene på grangreinene for å kunne modellere konsekvensene av eksplosjonen, og effekten av fleksibilitet av greinene kan også være betydelig. Mer generelt indikerer resultatene at effekten av objekter på millimeter-skala på forløpet i en gasseksplosjon ikke nødvendigvis kan neglisjeres. En annen utstabilitet som ikke er tilstrekkelig forstått i gasseksplosjons-kontekst kalles «Bénard-von Kármán -ustabiliteten». Dette fenomenet påvirker strømningsfeltet bak objekter som er formet som sylindere eller bokser, som er tilfelle for det meste av prosessutstyr. Ustabiliteten er mye studert for stasjonære strømninger uten kjemiske reaksjoner, men for transiente strømninger med forbrenning, kunne vi ikke finne noen relevante studier i litteraturen. Som del av dette prosjektet ble det derfor utført en rekke eksperimenter der effekten av denne ustabiliteten på overtrykket generert av en gasseksplosjon ble studert. Bidraget fra Bénard-von Kármán-ustabiliteten ser ut til å kunne være betydelig, og denne effekten bør derfor inkluderes i konsekvensmodeller. For å kunne benytte seg av nye eksperimentresultater og modellforbedringer i komplekse simuleringsverktøy kreves teknikker for å sikre gode resultater for et stort utvalg av scenarioer. En metode for å systematisk optimalisere alle empiriske parametere i koden, hentet blant annet fra detaljert kjemisk kinetikk, ble derfor gjennomført som del av prosjektet. Med sensitivitetsanalyse kan en finne ut hvilke parametere som er styrende i en komplekst system, og hvordan det å forandre dem påvirker resultatene. Ved å bruke disse metodene kan man mer effektivt inkludere nye fysiske fenomen inn i en kommersiell kode, og fremdeles sikre gode resultater.

The hazard posed by vapour cloud explosions in the petrochemical industry is evident from the devastating consequences of accidents such as Flixborough, Piper Alpha, and more recently the Deepwater Horizon accident in the Gulf of Mexico. According to a re cent report from Marsh, explosions are represented in 13 out of the 20 largest accidental losses in the hydrocarbon industry in the period 1972-2009, representing 68 % of the property losses, or about $9260 M (inflated to Dec 2009 values). Significant ef forts have been invested by Chr. Michelsen Institute (CMI) and then Christian Michelsen Research (CMR) and now GexCon AS, a wholly owned subsidiary of CMR, since the 1970s in predicting and reducing the consequences of accidental gas explosions on congest ed offshore platforms; in particular through the development of the computational fluid dynamics (CFD) tool FLACS. FLACS is today the leading CFD-tool for simulating hydrocarbon gas deflagrations in the process industries, and is currently used worldwide to generate input to risk assessments and design load specifications. Although FLACS can reproduce many large-scale explosion experiments with reasonable accuracy, GexCon continues to validate and improve the code. Recent validation work suggests that FLA CS may under-predict the consequences of vapour cloud explosions involving certain reactive gases, such as ethylene and acetylene, in both unconfined and highly congested geometries. The proposed doctoral work is part of ongoing R&D efforts towards more r eliable models for gas and vapour cloud explosions in the process industries, with particular focus on improved modelling of selected phenomena responsible for flame acceleration: flame instabilities and production of turbulence by geometrical objects not resolved on the computational grid. This work seeks to improve the FLACS code by modelling, development and likely experimental work.