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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.
Gefahrstofffreisetzungen aus technischen Anlagen können erhebliche Risiken für Mensch und Umwelt bergen und sind deshalb bei der Planung, der Genehmigung und im Regelbetrieb technischer Anlagen zu berücksichtigen. Zur Identifizierung von Gefahrenbereichen im Zusammenhang mit Gasfreisetzungen und zur Bewertung der Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen werden Ausbreitungsrechnungen mithilfe verschiedener Modelle durchgeführt. Es werden zunehmend komplexere Berechnungsmodelle eingesetzt, die verlässlichere Prognosen liefern und helfen sollen, die Risiken durch windgetriebene Ausbreitung von Gasen weiter zu reduzieren. Mit steigender Komplexität der Simulationsverfahren steigen allerdings auch der Aufwand für die Entwicklung und die anwendungsbezogene Evaluierung neuer Modelle. Mit den vorgestellten Arbeiten wollen die Autoren einen Beitrag zur Entwicklung und Bereitstellung frei verfügbarer numerischer Strömungs- und Transportmodelle leisten und speziell die Weiterentwicklung der im Bereich Auswirkungsbetrachtungen verwendeten Werkzeuge unterstützen. Der Artikel beschreibt erste Problemlösungen auf dem Weg zur Entwicklung entsprechender, frei verfügbarer und angemessen validierter Softwaretools.
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.
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.
Mit der zurzeit laufenden Überarbeitung der VDI Richtlinie 3783 Blatt 1 und dem Modellwechsel auf ein Lagrange'sches Partikelmodell ist das Fahnenmodell PLURIS in den Fokus der Störfallauswirkungsberechnungen gelangt. PLURIS wird schon seit Längerem zur Berechnung der Abgasfahnenüberhöhung von Schornsteinen und Kühltürmen eingesetzt und ist Grundlage der neuen VDI Richtlinie 3782 Blatt 3 (Entwurf), lm Gegensatz zu den bekannten Freistrahlmodellen zur Berechnung der Ausbreitung unter Druck stehender Gase, wird bei PLURIS nicht vorausgesetzt, dass die Strahlgeschwindigkeit deutlich größer als die Windgeschwindigkeit ist. Mit steigender Rechnerleistung wird auch die Gasausbreitungsberechnung mittels CFD-Programmen für die Praxis interessanter. Für eine genauere Berechnung der Geschwindigkeits- und Konzentrationsverteilung im Freistrahl wird eine feine Gitterauflösung erforderlich, die aber zu langen Rechenzeiten führt, wenn die Ausbreitung eines toxischen Gases in Entfernungen von mehreren 100 m berechnet werden soll. Durch die Kopplung der CFD-Berechnung mit einem Fahnen- oder Freistrahlmodell kann der Rechenaufwand reduziert werden.
Mit zunehmender Produktion und Einsatz von Wasserstoff kommt immer mehr die Frage auf, inwieweit etablierte Freistrahlmodelle geeignet sind die Freisetzung von Wasserstoff aus Ausbläsern ausreichend genau zu berechnen, um darauf aufbauend Aussagen zum Explosionsschutz treffen zu können. Ein Vergleich mit experimentellen Untersuchungen zeigt, dass die Berechnungen von Modellen, die z.B. für Erdgas geeignete sind, für sehr leichte Gase größere Abweichungen ergeben können. Es sind daher Modifikationen für das Integralmodell von Schatzmann und das empirische Modell von Chen/Rodi entwickelt und mit experimentellen Untersuchungen verglichen worden. Bei einer verzögerten Zündung der Wasserstoff-Gaswolke sind bei experimentellen Untersuchungen relevante Explosionsüberdrücke gemessen worden, die bei einer Gefährdungsbeurteilung berücksichtigt werden sollten. Hierfür ist ein Berechnungsansatz in Verbindung mit dem Multi-Energy-Modell entwickelt worden.
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.
In this paper, we investigate the evaporation mass flow originating from spills of gas-oline. Large spills of gasoline may form during partial or complete roof sinkings or inthe case of perforations at various deck fittings at external floating roof tanks usedfor the storage. Additionally, spills may form in the retention area in the case of leak-ages at pipes or at the hull. The aim is to predict the order of magnitude of real-scaleevaporation mass flow. The determined evaporation mass flows will be used in arelated project as input values for subsequent dispersion modeling in the vicinity ofthe tanks. This is relevant for questions of fire and explosion protection as well as forenvironmental protection aspects in tank farms or refineries, which use externalfloating roof tanks. The measurements presented in this paper were compared withpredictions by empirical models and investigations of evaporations from small floorspills, round-bottom flask, or from Petri dishes published in the literature. The maingoal of this paper is to test the applicability of empirical models to provide reasonableevaporation mass flows as input for CFD dispersion simulations.
Safety criteria for the transport of hydrogen in permanently mounted composite pressure vessels
(2020)
The recent growth of the net of hydrogen fuelling stations increases the demands to transport compressed hydrogen on road by battery vehicles or tube-trailers, both in composite pressure vessels. As a transport regulation, the ADR is applicable in Europe and adjoined regions, and is used for national transport in the EU. This regulation provides requirements based on the behaviour of each individual pressure vessel, regardless of the pressure of the transported hydrogen and relevant consequences resulting from generally possible worst case scenarios such as sudden rupture. In 2012, the BAM (German Federal Institute for Materials Research and Testing) introduced consequence-dependent requirements and established them in national transport requirements concerning the “UN service life checks” etc. to consider the transported volume and pressure of gases. This results in a requirement that becomes more restrictive as the product of pressure and volume increases. In the studies presented here, the safety measures for hydrogen road transport are identified and reviewed through a number of safety measures from countries including Japan, the USA and China. Subsequently, the failure consequences of using trailer vehicles, the related risk and the chance are evaluated. A benefit-related risk criterion is suggested to add to regulations and to be defined as a safety goal in standards for hydrogen transport vehicles and for mounted pressure vessels. Finally, an idea is given for generating probabilistic safety data and for highly efficient evaluation without a significant increase of effort.
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.
Major accidents in the process industry often lead to the release of light or dense gases, which can mean a thread to employees, local residents or to the environment. Possible scenarios are therefore analyzed and evaluated in advance for approval issues. There is a trend, where simple empirical models are being replaced with more complex numerical models. Gaussian dispersion models or models based on dimensional analysis approaches are for example, increasingly replaced by CFD simulations. The main reason for this is the potentially higher accuracy. However, usually scenarios using sharp parameter values are calculated, since comprehensive consideration of parameter distributions via Monte Carlo or Latin Hypercube Sampling fails due to the numerical effort. This includes the risk that the influence of uncertainties on the simulation results is not taken into account. Response surface methods offer an alternative, with which the CFD problem can be mapped onto an algebraic surrogate model. If this is sufficiently precise, parameter sampling can also be carried out with the surrogate as well, as shown in some publications. Previous investigations only demonstrated the basic principle using trivial dispersion models. In this paper two realistic CFD simulations from the plant safety area are considered: VOC emissions from a storage tank and near-ground dense gas emissions. The entire procedure of response surface determination and parameter studies was automated and parallelized for high-performance-computing, and is carried out on the underlying CFD grids. For the CFD simulations as well as for all visualizations, the commercial software ANSYS CFX and the open source software OpenFOAM were used. The aim of this paper is to demonstrate the method using industry-relevant applications as well as to show how this can be used in practical engineering applications. The quality of surrogate modeling, the numerical effort and advantages that can result from the procedure are discussed as well as advantages which may result from taking parameter uncertainties into account in safety studies.