MODITIC - large-eddy simulations of dense gas dispersion in urban environments

Abstract

The European Defence Agency (EDA) project B-1097-ESM4-GP “MOdelling the DIspersion of Toxic Industrial Chemicals in urban environments” (MODITIC) (2012 – 2016) has studied the release and transport of neutral and non-neutral chemicals in complex urban environments, in order to enhance the understanding of the dominating physical processes involved, and to support improvements in modelling techniques. This report describes the work conducted using large-eddy simulations (LES) to simulate release and dispersion of neutral and dense gases. The dispersion process takes place in geometries with increasing complexity, and thus an increasingly complex flow field. The main purpose of the study is to improve the methodology for high fidelity dispersion models, to study the simulated effects of dense gas release, and to validate the results against wind tunnel data. The simulations reported in this work element, WE5300, have been performed by the Swedish Defence Research Agency (FOI), the Institut National de l’Environnement Industriel et des Risques (INERIS), and the Norwegian Defence Research Establishment (FFI) using different solvers and methods to treat the dense gas release. In this report, results from the solvers OpenFOAM and CDP are presented. Results show that the methods used managed to predict the release and dispersion of both dense and neutral gas very well compared to the wind tunnel experiments. The complex flow fields were also simulated correctly. In all cases studied, there was a big difference in the dispersion pattern between dense and neutral gas. The dense gas was transported upwind from the source, against the wind, and the plume spread close to the ground and more laterally compared to the neutral gas. It was also seen that the dense gas changed the local wind field which led to reduced mixing and lower turbulence kinetic energy in areas with high concentrations. In order to assure satisfactory results, special care needs to be taken to the generation of the incoming turbulent boundary layer. This is especially true when there is no geometry (e.g. buildings) affecting the wind field.

European Defence Agency-prosjektet B-1097-ESM4-GP MODITIC (MOdelling the DIspersion of Toxic Industrial Chemicals in urban environments) har studert utslipp og spredning av nøytrale og ikkenøytrale industrikjemikalier i urbane miljøer. Målene er både å øke kunnskapen om de dominerende fysikalske prosessene som er involvert og å støtte opp om forbedring av modelleringsteknikker. Denne rapporten beskriver arbeidet, som er utført ved hjelp av large-eddy simuleringer (LES), med å simulere utslipp og spredning av nøytrale og ikke-nøytrale gasser. Gassene spres i geometrier med økende kompleksitet, og dermed et stadig mer komplekst vindfelt. Hovedformålet med studien er å forbedre metodikken for high fidelity-spredningsmodeller, å studere de simulerte effektene av tunggass-utslipp, og å validere resultatene mot vindtunneldata. Simuleringene rapportert i WE5300 er utført av Totalförsvarets Forskningsinstitut (FOI), Institut National de l’Environnement Industriel et des Risques (INERIS) og Forsvarets forskningsinstitutt (FFI) ved hjelp av ulike løsere og ulike metoder for å behandle spredningen av tunggass. I denne rapporten presenteres resultatene fra programmene OpenFOAM og CDP. Resultatene viser at metodene som har blitt brukt er i stand til å forutsi utslipp og spredning av både tung og nøytral gass meget godt sammenlignet med vindtunnelresultatene. De komplekse strømningsfeltene ble også simulert riktig. I alle scenarier som er studert var det stor forskjell i spredningsmønstrene i tung- og nøytralgasstilfellene: den tunge gassen ble transportert fra kilden mot vinden, og skyen ble spredt nær bakken og mer sideveis i forhold til den nøytrale gassen. Det ble også observert at den tunge gassen endret det lokale vindfeltet, noe som førte til redusert miksing og lavere turbulent kinetisk energi i områder med høye konsentrasjoner. For å sikre tilfredsstillende resultater må det tas særskilt hensyn til genereringen av det innkommende turbulente grensesjiktet. Dette gjelder spesielt når det ikke er noen geometri (for eksempel bygninger) som påvirker vindfelt i stor grad.