Implementation of a new and improved evaporation model in Fluent

Abstract

The release and dispersion of toxic chemicals can cause a threat to military personnel and the population at large. In order to develop and implement appropriate protective capabilities and plan mitigating measures, modelling, simulation and assessments of hypothetical scenarios and historical incidents is a valuable and widely used methodology. This requires reliable CBRN modelling and simulation capabilities for modelling how toxic chemicals are released and dispersed in air. A physical and mathematical model of an event involving the dispersion of chemicals can roughly be divided into three parts: source modelling, transport modelling and effect modelling. This study focuses on source modelling. As part of the recent NATO-study SAS-061, research groups in the U.S., The Netherlands and FFI assessed the same scenario involving release of the chemical warfare agent (CWA) sarin. The groups used evaporation rates for sarin which varied by a factor of 10. This leads to correspondingly large variations of the calculations of the consequences and the extent of damage. This introduces an unacceptable uncertainty in consequence assessments and clearly demonstrates the need to improve our fundamental knowledge of evaporation processes. This report describes the integration of an analytical evaporation model in computational fluid dynamics (CFD) software. Numerical simulations of the evaporation from droplets and the subsequent transport of vapour in a turbulent air field is conducted. The evaporation rate obtained in the numerical simulations is compared with the rates calculated analytically. The model is in addition compared with results obtained with other evaporation models used for CFD. The model is an substantially improvement to the default evaporation model in Fluent.

Utslipp og spredning av giftige kjemikalier kan utgjøre en trussel mot militært personell og befolkningen i allmennhet. Modellering, simulering og analyse av hypotetiske scenarier og historiske hendelser en svært verdifull og mye brukt metode for å utvikle og implementere passende beskyttelseskapabiliteter og planlegge beskyttelses- og mottiltak. Dette krever at prosesser der giftige kjemikalier slippes ut og spres i luft kan modelleres og simuleres på en troverdig måte. En fysisk og matematisk modellering av en spredningshendelse kan grovt sett deles inn i tre deler: kildemodellering, transportmodellering og effektmodellering. Denne studien tar fokuserer på kildemodellering. I en NATO-studie nylig gjennomført, SAS-061, analyserte forskningsgrupper i USA, Nederland og FFI hver for seg et scenario som involverte spredning av det kjemiske trusselstoffet sarin. De ulike gruppene benyttet fordampingsrater som varierte med en faktor 10. Dette medfører tilsvarende store variasjoner i beregninger av konsekvenser og skadeomfang. Dette gir en uakseptabel usikkerhet i konsekvensvurderingene og demonstrerer nødvendigheten av å forbedre vår fundamentale kunnskap om fordampingsprosesser. Denne rapporten beskriver integrering av en analytisk fordampingsmodell i et dataverktøy for numeriske beregninger av strømning. Numeriske simuleringer av fordamping fra dråper og transport av den resulterende dampen i en turbulent luftstrøm er gjennomført. Fordampingsraten i de numeriske beregningene er sammenlignet med fordampingsrate beregnet analytisk. I tillegg er modellen sammenlignet med fordampingsmodeller brukt for numeriske beregninger. Modellen er en vesentlig forbedring til Fluent sin standard fordampingsmodell.