Modelling dust explosions in the process industries

Prosjektets hovedmål er å implementere og validere fundamentale forbedringer i modellene for strømning og forbrenning av brennbare partikler dispergert i luft i beregningskoden FLACS-DustEx. Arbeidet i 2019 har hovedsakelig fokusert på å gjennomgå alle tilgjengelige forbrenningsmodeller som inkluderer effekten av partikler, i tillegg til å arbeide med integreringen av «Algebraic Slip Mixture» modellen (ASM-modellen) i koden til FLACS-DustEx. ASM-modellen kan beskrive den mekaniske fordelingen av og egenskapene til partikler i luft i mer detalj enn hva som er mulig i FLACS-DustEx på nåværende tidspunkt. Som en del av gjennomgangen av forskjellige forbrenningsmodeller, har kandidaten også studert hvordan disse kan integreres i FLACS-DustEx. En tidsskriftsartikkel fra dette arbeidet ble publisert i «Journal of Loss Prevention in the Process Industries» med tittelen "A brief review on the effect of particle size on the laminar burning velocity of flammable dust: Application in a CFD tool for industrial applications". Integreringen av ASM-modellen i FLACS-DustEx tok betydelig mer tid enn opprinnelig antatt. Derfor har den planlagte publiseringen av en artikkel om denne modellen blitt forsinket (denne publikasjonen er nå planlagt neste år). Kandidaten gjennomførte to plakatpresentasjoner ved to konferanser i 2019. Den første presentasjonen var i forbindelse med ISFEH2019 som ble arrangert 21-26. april 2019 in Sankt Petersburg i Russland, med tittelen "Effect of particle size on burning velocity calculation in FLACS-DustEx". Ved denne plakatutstillingen presenterte kandidaten en ny forbrenningsmodell, sammen med simuleringsresultater fra FLACS DustEx av et eksperiment hvor en ny metode for dispergering av støv (utviklet ved Gexcon) ble benyttet. Den andre plakatpresentasjonen ble holdt i Beijing i Kina i forbindelse med konferansen ICDERS2019 som ble arrangert 28. juli -2. august 2019. Tittelen på dette arbeidet var "A review of the effect of particle size and particle concentration on burning velocity calculation in FLACS-DustEx: a simplified approach". Kandidaten deltok på to kurs i 2019: en vinterskole arrangert av SINTEF med temaet «learning from data» på Geilo 20.-25. januar 2019, og et kurs om turbulent forbrenning, arrangert av Von Karman institutt for fluiddynamikk 20.-24. mai 2019 i Sint-Genesius-Rode i Belgia. Kandidaten har begynt å gjennomføre eksperimenter med størrelsesklassifiserte partikler av maisstivelse i et 20-liters eksplosjonskammer i støvlaboratoriet ved Gexcon AS. For å klassifisere forskjellige partikkelstørrelser, brukte kandidaten forskjellige sikter som er tilgjengelige ved Gexcon. Kandidaten jobber nå med å analysere resultatene, og vil bruke disse i en artikkel om forbrenningsmodellering i FLACS-DustEx som er planlagt sendt inn til et tidsskrift i løpet av mars 2020. En artikkel om resultatene av å koble ASM-modellen (beskrevet over) sammen med den forbedrede forbrenningsmodellen i FLACS-DustEx er planlagt innsendt til et passende tidsskrift i løpet av september 2020. Resultatene fra den nye modellen vil bli validert mot et datasett fra en rekke eksperimenter på stor skala som ble gjennomført i en 236 m^3 silo. Fra juni 2019 har kandidaten jobbet sammen med og veiledet en kollega i validering av FLACS-DustEx. I 2019 har kandidaten også samarbeidet med kollegaer i Gexcon om å klargjøre koden i FLACS-DustEx og ASM-modellen for integrering. Hovedfokuset i 2020 vil være på å ferdigstille implementeringen av flerfase-løseren i FLACS-DustEx sammen med en forbedret forbrenningsmodell, sende inn to artikler til vitenskapelige tidsskrift, og å ferdigstille og levere avhandlingen.

-

Accidental dust explosions cause severe damage to property and loss of life in industry. Dust explosions are inherently complex phenomena, and several parameters influence the ignition sensitivity and explosion violence of dust clouds. Significant efforts have been invested in experimental investigations aimed at developing empirical correlations that can be used to estimate the consequences of dust explosions. To this end, the use of computational fluid dynamics (CFD) represents an interesting alternative. The numerical solver in FLACS is a three-dimensional (3D) CFD code that solves Favre-averaged transport equations. The modelling of particle-laden flow and heterogeneous combustion in the current version of FLACS-DustEx involves several simplifying assumptions. In spite of the simplicity of the model system, the results from previous validation work show that FLACS-DustEx can describe the course of dust explosions in relatively complex geometries with reasonable accuracy relative to the inherent spread in the experimental results. Although the results from the validation work indicate that CFD simulations can become a valuable tool for consequence modelling and design of industrial facilities, the modelling in FLACS-DustEx requires further improvements. As part of this PhD project, the candidate will populate a validation framework with relevant and prioritized dust explosion cases (experiments, accidents, etc.). Access to experimental data and research installations in the field of dust explosions has been established. The possibility of generating empirical input to the model system from laboratory-scale experiments will be critically evaluated. It may be possible to improve the currently used test apparatus and/or test procedures. The foreseen results from the project include fundamental improvements to the modelling of particle-laden flows and flame propagation in dust clouds in the CFD tool FLACS-DustEx.