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For hazard assessment purposes, the dispersion of gases in complex urban areas is often a scenario to be considered. However, predicting the dispersion of heavy gases is still a challenge. In Germany, the VDI Guideline 3783, Part 1 and 2 is widely used for gas dispersion modelling. Whilst Part 1 uses a gauss model for calculating the dispersion of light or neutrally buoyant gases, Part 2 uses wind tunnel experiments to evaluate the heavier-than-air gas dispersion in generic built up areas. In practice, with this guideline, it is often not possible to adequately represent the existing obstacle configuration. To overcome this limitation, computational fluid dynamics (CFD) methods could be used. Whilst CFD models can represent obstacles in the dispersion area correctly, actual publications show that there is still further research needed to simulate the atmospheric flow and the heavy gas dispersion. This paper presents a modified k-ε-turbulence model that was developed in OpenFOAM v5.0 (England, London, The OpenFOAM Foundation Ltd Incorporated) to enhance the simulation of the atmospheric wind field and the heavy gas dispersion in built-up areas. Wind tunnel measurements for the dispersion of neutrally buoyant and heavy gases in built-up environments were used to evaluate the model. As a result, requirements for the simulation of the gas dispersion under atmospheric conditions have been identified and the model showed an overall good performance in predicting the experimental values.
CFD simulations of near-ground gas dispersion depend significantly on the accuracy of the wind field. When simulating wind fields with conventional RANS turbulence models, the velocity and turbulence profiles specified as inlet boundary conditions change rapidly in the approach flow region. As a result, when hazardous materials are released, the extent of hazardous areas is calculated based on an approach flow that differs significantly from the boundary conditions defined. To solve this problem, a turbulence model with consistent boundary conditions was developed to ensure a horizontally homogeneous approach flow. Instead of the logarithmic vertical velocity profile, a power law is used to overcome the problem that with the logarithmic profile, negative velocities would be calculated for heights within the roughness length. With this, the problem that the distance of the wall-adjacent cell midpoint has to be higher than the roughness length is solved, so that a high grid resolution can be ensured even in the near-ground region which is required to simulate
gas dispersion. The evaluation of the developed CFD model using the German guideline VDI 3783/9 and wind tunnel experiments with realistic obstacle configurations showed a good agreement between the calculated and the measured values and the ability to achieve a horizontally homogenous approach flow.
Zur Bestimmung von Gefährdungsbereichen wird für Gasausbreitungsberechnungen zurzeit vorwiegend die VDI Richtlinie 3783 herangezogen. Bei der Berechnung der Ausbreitung dichteneutraler oder leichter Gase nach Blatt 1 der Richtlinie kann die Bebauung nicht berücksichtigt werden. Dies und die Frage der Anwendbarkeit im Nahbereich der Quelle waren Gründe die VDI-RL zu überarbeiten. Grundlage hierfür ist ein Lagrange´sches Partikelmodell nach VDI 3945 Blatt 3 in Verbindung mit dem Windfeldmodell in der VDI-RL 3783 Blatt 8.
Vergleichsberechnungen zeigen, dass das Lagrange´sches Partikelmodell im Vergleich zu experimentellen Untersuchungen einer ebenen, ungestörten Grenzschichtströmung eine bessere Übereinstimmung in der Konzentrationsverteilung ergibt, als die VDI-RL 3783 Blatt 1. Die Qualität einer Berechnung mit dem Lagrange´schen Partikelmodell ist wesentlich von der Güte der Windfeldberechnung abhängig. Für drei Gebäudekonfigurationen sind die Windfelder mit dem etablierten diagnostischen Windfeldmodell TALdia und mit dem prognostischen CFD-Tool OpenFOAM berechnet und mit Messwerten verglichen worden. Mit OpenFOAM können nach den bisherigen Untersuchungen qualitativ gleichwertige, eher bessere Windfelder berechnet werden.
Zur Bestimmung von Gefährdungsbereichen wird für Gasausbreitungsberechnungen zurzeit vorwiegend die VDI Richtlinie 3783 herangezogen. Bei der Berechnung der Ausbreitung dichteneutraler oder leichter Gase nach Blatt 1 der Richtlinie kann die Bebauung nicht berücksichtigt werden. Dies und die Frage der Anwendbarkeit im Nahbereich der Quelle waren Gründe die VDI-RL zu überarbeiten. Grundlage hierfür ist ein Lagrange´sches Partikelmodell nach VDI 3945 Blatt 3 in Verbindung mit dem Windfeldmodell in der VDI-RL 3783 Blatt 8.
Vergleichsberechnungen zeigen, dass das Lagrange´sches Partikelmodell im Vergleich zu experimentellen Untersuchungen einer ebenen, ungestörten Grenzschichtströmung eine bessere Übereinstimmung in der Konzentrationsverteilung ergibt, als die VDI-RL 3783 Blatt 1. Die Qualität einer Berechnung mit dem Lagrange´schen Partikelmodell ist wesentlich von der Güte der Windfeldberechnung abhängig. Für drei Gebäudekonfigurationen sind die Windfelder mit dem etablierten diagnostischen Windfeldmodell TALdia und mit dem prognostischen CFD-Tool OpenFOAM berechnet und mit Messwerten verglichen worden. Mit OpenFOAM können nach den bisherigen Untersuchungen qualitativ gleichwertige, eher bessere Windfelder berechnet werden.
Die VDI-Richtlinien 3783 Blatt 1 und Baltt 2 gelten immer noch im Bereich der Störfallauswirkungsbetrachtungen als Stand der Technik, obwohl sie aus den Jahren 1987 und 1990 stammen. In der Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN wurde 2009 die Arbeitsgruppe „Ausbreitung von störfallbedingten Freisetzungen – Sicherheitsanalyse“ mit der Zielsetzung gegründet, die VDI-Richtlinie 3783 zu überarbeiten. Der Inhalt des jetzt vorliegenden Gründrucks wird vorgestellt.
Zurzeit befindet sich die VDI-Richtlinie 3783 Blatt 1 in der Überarbeitung, wobei ein Modellwechsel auf ein Lagrange‘sches Partikelmodell erfolgt. Für die Berechnung der Gasausbreitung mit Gebäuden ist ein Windfeld erforderlich. Mit AUSTAL wird auch das diagnostische Windfeldmodell TALdia zur Verfügung gestellt, das mittels empirischer Ansätze die Rezirkulationszonen von Gebäuden und Hindernissen modelliert. Ein prognostisches Windfeldmodell auf Grundlage der Navier-Stokes-Gleichungen sollte bei komplexen Bebauungs-situationen bessere Berechnungsergebnisse liefern, was aber mit einem größeren Berechnungsaufwand verbunden ist. Im Rahmen eines IGF- Forschungsvorhabens wurde das prognostische Windfeldmodell OFWind als Open Source – Software entwickelt. Im Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen des Forschungsvorhabens wird die Anwendbarkeit der beiden Windfeldmodelle bei drei komplexen Bebauungssituationen untersucht.