1. SFT
  2. Archiwum
  3. Vol. 59
  4. Wykorzystanie modelu burzliwości k-ω ...

Wykorzystanie modelu burzliwości k-ω SST do modelowania matematycznego pożaru strumieniowego

Michał Wojciech Lewak , Jarosław Tępiński , Wojciech Klapsa

Pobierz artykuł
Open Access
DOI: 10.12845/sft.59.1.2022.1, strony: 28 – 40

Abstrakt

Cel: Celem tego opracowania jest sprawdzenie przydatności modelu k-ω SST do opisu procesu spalania podczas pionowego pożaru strumieniowego propanu. Symulacja pożaru strumieniowego przy pomocy obliczeniowej mechaniki płynów wiąże się z odpowiednim wyborem modelu matematycznego służącego do opisu przepływu burzliwego. Jest to o tyle ważne, że zmienne z tego modelu opisują również szybkość reakcji spalania, a więc mają wpływ na rozmiar i kształt płomienia. Dobór odpowiedniego modelu powinien być poprzedzony symulacjami wstępnymi.

Projekt i metody: Do symulacji wybrano pionowy pożar strumieniowy w warunkach bezwietrznych. Dzięki temu opracowana została dwuwymiarowa osiowosymetryczna geometria, na którą możliwe jest nałożenie dobrej siatki numerycznej. Wybrane warunki procesowe pozwoliły na stworzenie osiowosymetrycznej siatki numerycznej, której wartości świadczące o jakości uwidoczniono na wykresie przedstawiającym rozkład jakości parametru w zależności od liczby elementów, z jakich zbudowano siatkę numeryczną. Na podstawie dwuetapowego modelu reakcji spalania sprawdzono, czy obszar, w którym ułamek molowy tlenku węgla będzie miał duże wartości wpłynie na długość płomienia w wybranym modelu kinetycznym reakcji.

Wyniki: Wykonane zostały trzy symulacje pożaru strumieniowego odbywającego się w kierunku przeciwnym do działania sił grawitacji. Pozwoliły one na wyznaczenie podstawowego parametru Lf, który określa długość płomienia. Dodatkowo wyznaczona została długość drogi mieszania slift-off , która jest niezbędna do zapoczątkowania reakcji spalania. Wykonane symulacje pozwoliły na porównanie istotnych parametrów charakteryzujących płomień z parametrami obliczonymi przy pomocy korelacji zawartych w literaturze przedmiotu.

Wnioski: Porównanie wyżej wymienionych parametrów umożliwiło określenie ciekawego zakresu pracy badawczej, ponieważ wyznaczona z symulacji CFD długość drogi mieszania gazu znacząco różniła się od wartości obliczonych z korelacji. Co ciekawe, tak dużych rozbieżności między wynikami CFD a korelacjami nie zaobserwowano dla parametru Lf. Przy czym korelacje oparte o liczbę Froude’a podają nieco większe wartości długości płomienia niż wyniki symulacji CFD. Natomiast korelacja oparta o liczbę Reynoldsa podaje nieco mniejsze wartości parametru Lf niż wartości otrzymane z obliczeń CFD. Może to świadczyć o tym, że efekty związane z siłami bezwładności (liczba Re) lepiej opisują warunki procesowe niż korelacje oparte o wpływ sił bezwładności i sił ciężkości (liczba Fr).

Słowa kluczowe: pożar strumieniowy, modelowanie matematyczne, obliczeniowa mechanika płynów

Typ artykułu: doniesienie wstępne

Bibliografia:

  1. Tępiński J., Połeć B., Klapsa W., Lesiak P., Badania pożarów powierzchniowych i strumieniowych w dużej skali, [w:] Badania na rzecz poprawy bezpieczeństwa w zakładach przemysłowych stwarzających zagrożenie poza swoim terenem, J. Tępiński, B. Połeć (red.), CNBOP-PIB, Józefów 2020, 45–67.
  2. https://pse-safety.com/podstawowe-rodzaje-pozarow/ [dostęp: 2 marca 2022].
  3. Klapsa W., Suchecki S., Bąk D., Dziechciarz A., Czynniki narażenia podczas pożarów, [w:] Czerwona Księga Pożarów Tom I, P. Guzewski, D. Wróblewski, D. Małozięć (red.), CNBOP-PIB, Józefów 2016, 275–292.
  4. Blanchat T., Figueroa V., Large-scale open pool experimental data and analysis for fire model validation and development, “Fire Safety Science” 2008, 9, 105–115, https://doi.org/10.3801/IAFSS.FSS.9-105.
  5. Zhen C., Xiaolin W., Analysis for combustion properties of crude oil pool fire, “Procedia Engineering” 2014, 84, 514–523, https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.10.463.
  6. Hamins A., Klassen M. S., Kashiwagi T., Heat feedback to the fuel surface in pool fires, “Combustion Science and Technology” 1994, 97, 37–62, https://doi.org/10.1080/00102209408935367.
  7. Bubbico R., Dusserre G., Mazzarotta B., Calculation of the flame size from burning liquid pools, “Chemical Engineering Transactions” 2016, 53, 67–72, https://doi.org/10.3303/CET1653012.
  8. Munoz M., Arnaldos J., Casal J., Planas E., Analysis of the geometric and radiative characteristics of hydrocarbon pool fires, “Combustion and Flame” 2004, 139, 263–277, https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2004.09.001.
  9. Tępiński J., Wawrzyńczak A., Siess G., Cygańczuk K., Program informatyczny do oceny ryzyka wystąpienia awarii w obiektach przemysłowych, „Przemysł Chemiczny” 2021, 4, 356–361, https://doi.org/10.15199/62.2021.4.8.
  10. Połeć B., Tępiński J., Program do oceny ryzyka wystąpienia awarii w obiektach przemysłowych – założenia projektu systemu a praktyczne zastosowanie, [w:] Metody i narzędzia wspomagające proces oceny ryzyka awarii w zakładach przemysłowych, B. Połeć, J. Tępiński (red.), CNBOP-PIB, Józefów 2019, 147–164.
  11. https://www.ni.com/pdf/manuals/372838e.pdf [dostęp: 2 marca 2022].
  12. https://www.hukseflux.com/uploads/product-documents/SBG01_manual_v2023_0.pdf [dostęp: 2 marca 2022].
  13. https://www.dataq.com/resources/pdfs/manuals/di-2008-usb-voltage-thermocouple-daq.pdf [dostęp: 2 marca 2022].
  14. Klapsa W., Lesiak P., Tępiński J., Połeć B., Pomiary promieniowania cieplnego i temperatury pożarów rozlewisk cieczy oraz pożarów strumieniowych – założenia koncepcyjne do badań w dużej skali, [w:] Badania na rzecz poprawy bezpieczeństwa w zakładach przemysłowych stwarzających zagrożenie poza swoim terenem, J. Tępiński, B. Połeć (red.), CNBOP-PIB, Józefów 2020, 13–44.