1. SFT
  2. Archiwum
  3. Vol. 68
  4. Modelowanie rozprzestrzeniania się bu...

Modelowanie rozprzestrzeniania się butanu w przestrzeni zamkniętej na przykładzie kuchni gastronomicznej

Cédric Tiafoudji , El-Kebir Iya Ahmed , Ruben Mouangue , Philippe Onguene Mvogo , Fidel Meskéoulé Vondou , Justin Tégawendé Zaida

Pobierz artykuł
Open Access
DOI: 10.12845/sft.68.2.2026.3, strony: 48 – 60

Abstrakt

Cel: Celem pracy była analiza rozprzestrzeniania się gazu płynnego (LPG) wskutek przypadkowego wycieku w kuchni gastronomicznej oraz wskazanie miejsc, w których stężenie gazu może stwarzać zagrożenie pożarem lub wybuchem w przypadku pojawienia się źródła zapłonu. W analizowanym scenariuszu przyjęto, że w czasie wycieku w pomieszczeniu nie przebywają ludzie. Określenie zmian stężenia uwolnionego gazu w czasie i przestrzeni ma istotne znaczenie dla zapobiegania pożarom, właściwego projektowania wentylacji oraz poprawy bezpieczeństwa w kuchniach gastronomicznych.

Metodologia: Opracowano trójwymiarowy model z wykorzystaniem obliczeniowej mechaniki płynów (CFD), umożliwiający symulację uwalniania i rozprzestrzeniania się gazu w zamkniętym pomieszczeniu o wymiarach 2 × 2 × 2 m. Źródło wycieku odwzorowano, przyjmując stałe masowe natężenie wypływu wynoszące 0,3611 g/s oraz brak początkowego ruchu powietrza. Model numeryczny pozwolił określić rozkład stężenia gazu, strukturę przepływu, intensywność turbulencji oraz rozkład liczby Reynoldsa podczas wycieku. Szczególną uwagę poświęcono gromadzeniu się gazu palnego oraz określeniu miejsc, w których mogą powstawać mieszaniny palne.

Wyniki: Wyniki symulacji wskazują, że największe stężenie gazu występuje i stabilizuje się na wysokości około 10 cm nad podłogą. Potwierdza to tendencję gazu do gromadzenia się w dolnej części pomieszczenia. W pobliżu źródła wycieku przepływ charakteryzuje się znaczną turbulencją. Liczba Reynoldsa osiąga w tym obszarze maksymalną wartość 23 597, co sprzyja szybkiemu mieszaniu się uwolnionego gazu z otaczającym powietrzem. Na wysokości powyżej 1 m stężenie gazu w analizowanym okresie pozostaje natomiast znikome. Oznacza to, że wyciek praktycznie nie wpływa na warunki panujące w górnej części pomieszczenia.

Wnioski: Wyniki wskazują, że miejsca, w których stężenie gazu osiąga wartości krytyczne, znajdują się w pobliżu podłogi. W tej części pomieszczenia mieszaniny palne mogą utrzymywać się najdłużej, a obecność źródła zapłonu stwarza największe zagrożenie pożarem lub wybuchem. Badanie dostarcza istotnych informacji na temat przebiegu przypadkowych wycieków gazu w zamkniętych kuchniach gastronomicznych oraz może wspierać projektowanie bezpieczniejszych pomieszczeń, doskonalenie rozwiązań wentylacyjnych i rozwój skuteczniejszych metod oceny ryzyka pożarowego.

Słowa kluczowe: OpenFOAM, symulacja, pożar zamknięty, stężenie krytyczne

Typ artykułu: oryginalny artykuł naukowy

Bibliografia:

  1. Onguene Mvogo P., Mouangue R., Tégawendé Zaida J., Obounou M., Ekobena Fouda H., Building Fire: Experimental and Numerical Studies on Behaviour of Flows at Opening, "J. Combust." 2019, 2019, 1–11, https://doi.org/10.1155/2019/2535073.
  2. Salem J., Smith A., Manes M., Cooking Practices and Fires, 2023.
  3. Yang K., Wu H., Chen Y., Pang L., Effect of Room Layout on Natural Gas Explosion in Kitchen, 2024, https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-4404583/v1.
  4. Djene E., Douala: 18 étudiants blessés dans l’explosion d’une bouteille de gaz, "Actu Cameroun", https://actucameroun.com/2024/02/08/douala-18-etudiants-blesses-dans-lexplosion-dune-bouteille-de-gaz/ [accessed: 02.11.2025].
  5. Venetsanos A.G., Baraldi D., Adams P., Heggem P.S., Wilkening H., CFD modelling of hydrogen release, dispersion and combustion for automotive scenarios, "J. Loss Prev. Process Ind." 2008, 21, 2, 162–184, https://doi.org/10.1016/j.jlp.2007.06.016.
  6. Wang K., Wang Y., Xu C., Xu Z., Guo H., Xu J., A new pressure-based gas diffusion coefficient model: Modeling, verification and analysis, "J. Clean. Prod." 2025, 496, 144961, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2025.144961.
  7. Cariteau B., Brinster J., Tkatschenko I., Experiments on the distribution of concentration due to buoyant gas low flow rate release in an enclosure, "Int. J. Hydrogen Energy" 2011, 36, 3, 2505–2512, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.04.054.
  8. De Stefano M., Rocourt X., Sochet I., Daudey N., Hydrogen dispersion in a closed environment, 2019.
  9. Safakar M., Syafiie S., Yunus R., CFD Analysis of Indoor Chlorine Gas Dispersion Storage: Temperatures, Wind Velocities and Ventilation Effects Studies, 2016, [online], https://journal.ugm.ac.id/AJChE/article/view/49669 [accessed: 05.07.2025].
  10. Moen A., Mauri L., Narasimhamurthy V., Comparison of k-e models in gaseous release and dispersion simulations using the CFD code FLACS, "Process Saf. Environ. Prot." 2019, 130, https://doi.org/10.1016/j.psep.2019.08.016.
  11. Middha P., Hansen O.R., Storvik I.E., Validation of CFD-model for hydrogen dispersion, "J. Loss Prev. Process Ind." 2009, 22, 6, 1034–1038, https://doi.org/10.1016/j.jlp.2009.07.020.
  12. Giannissi S.G. et al., CFD benchmark on hydrogen release and dispersion in confined, naturally ventilated space with one vent, "Int. J. Hydrogen Energy" 2015, 40, 2415–2429, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.12.013.
  13. Prasad K., Pitts W.M., Yang J.C., A Numerical Study Of The Release And Dispersion Of A Buoyant Gas In Partially Confined Spaces, 2011, [online], https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=906120 [accessed: 05.07.2025].
  14. Bilyaz S., Ezekoye O.A., Modeling the dispersion and mixing of light gases in enclosed spaces using the Method of Moments, "J. Loss Prev. Process Ind." 2022, 80, 104877, https://doi.org/10.1016/j.jlp.2022.104877.
  15. Fiates J., Vianna S.S.V., Numerical modelling of gas dispersion using OpenFOAM, "Process Saf. Environ. Prot." 2016, 104, 277–293, https://doi.org/10.1016/j.psep.2016.09.011.
  16. Weller H.G., Tabor G., Jasak H., Fureby C., A tensorial approach to computational continuum mechanics using object-oriented techniques, "Comput. Phys." 1998, 12, 6, 620–631, https://doi.org/10.1063/1.168744.
  17. Greenshields C., OpenFOAM v6 User Guide – Contents, OpenFOAM Foundation Ltd., [online], https://doc.cfd.direct/openfoam/user-guide-v6/contents [accessed: 16.07.2025].
  18. Petersen J.A., National fire protection association standards in fire litigation, "Eng. Stand. Forensic Appl." 2019, 155–168.
  19. Părăian M., Burian S., Vătavu N., Păun F., Aspects regarding the applicability of ATEX directives for the evaluation of products regarding the risk of explosion, "MATEC Web Conf." 2020, 305, 00009, https://doi.org/10.1051/matecconf/202030500009.
  20. Yakhot V., Orszag S.A., Renormalization group analysis of turbulence. I. Basic theory, "J. Sci. Comput." 1986, 1, 3–51.
  21. Dong L., Zuo H., Hu L., Yang B., Li L., Wu L., Simulation of heavy gas dispersion in a large indoor space using CFD model, "J. Loss Prev. Process Ind." 2017, 46, 1–12, https://doi.org/10.1016/j.jlp.2017.01.012.
  22. Hendiger J., Chludzińska M., Ziętek P., Case Study of Dense Hazardous Gas Dispersion in Large Indoor Spaces: Ventilation Layout Analysis with Modeling, "Sustainability" 2025, 17, 24, https://doi.org/10.3390/su172411367.
  23. Mack A., Spruijt M.P.N., Validation of OpenFoam for heavy gas dispersion applications, "J. Hazard. Mater." 2013, 262, 504–516, https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2013.08.065.
  24. Hirt C.W., Nichols B.D., Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries, "J. Comput. Phys." 1981, 39, 1, 201–225, https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5.
  25. Wilcox D., Turbulence Modeling for CFD (Third Edition) (Hardcover), DCW Industries, La Canada CA, USA 2006.
  26. Meskéoulé Vondou F., Ngayihi Abbe C.V., Tégawendé Zaida J., Onguene Mvogo P., Mouangue R., Experimental Study on Fire Behaviour in Room following the Disposition of Openings, „Journal of Combustion” 2020, 2020, 9385712, 1–11, https://doi.org/10.1155/2020/9385712.
  27. Iya A.E.-k., Epée A.F., Mvogo P.O., Zaida J.T., Mouangue R., Modelling and Numerical Simulation of a Compartment Fire: Flow Rate Behaviour at Opening, „Fire” 2023, 6, 5, 185, https://doi.org/10.3390/fire6050185.
  28. White F.M., Fluid Mechanics, 7th ed., McGraw-Hill, New York 2011.
  29. Cyuzuzo T., Uwemeyimana Y., Emmanuel T., Niyonsaba J.L., Munyaneza C.U., Mwizerwa J.L., Rickard J., Debra R., Ntirenganya F., Cooking Gas Explosion and Burn Accidents in Kigali: Epidemiological Profile and outcomes of patients admitted to the University Teaching Hospital of Kigali (CHUK), „East and Central African Journal of Surgery” 2025, 30, 2, 15–22, https://doi.org/10.4314/ecajs.v30i2.3.
  30. Codjoe A.B., Asare L.S., Tettey P., Ochieng C., Amegbor P., Boateng G., Sackey B., Addade M., Norvivor F.A., Quansah R., Kitchen cooking burns: A real danger for adults and children in Ghana, „Burns” 2025, 51, 4, 107458, https://doi.org/10.1016/j.burns.2025.107458.
  31. Institut National de Recherche et de Sécurité (INRS), Conception des cuisines de restauration collective. Repères en hygiène et prévention des risques professionnels, ED 6007, INRS, Paris 2007.