Validation of CFD codes for risk analysis of accidental hydrocarbon fires

Abstract

Accidental releases of flammable hydrocarbons in chemical process industries can trigger severe hazards: explosions, fires, and dispersion of toxic vapour clouds. Explosions and toxic releases may injure people within large damage radius; however, fires are the most common accidental events that may lead to catastrophic consequences in terms of life and property losses.
 Within this framework, the prediction of the related-fire effects may significantly contribute to identify measures needed to eliminate or mitigate the consequences of accidents in processing environments. Semi-empirical methods can provide rapid estimations of the flame-geometry descriptors as well as estimations of the heat flux received at a given distance from the fire origin. Based on that information, active protection systems and inherent safer design measures (i.e. safety distances between equipment) can be determined to prevent major fire accidents. Nevertheless, these are based on empirical and statistical data, and do not cover the overall characteristics of the fire behaviour. 
 Computational Fluid Dynamics (CFD) modelling can provide more detailed insights of the related fire effects considering additional complexity, such as different geometries and alternative boundary conditions, and representing different fire sizes: from small to large scale fires. Nevertheless, CFD requires detailed input data, expert knowledge on the phenomenon simulated and on the physical models implemented, and demands high computational resources. The use of CFD modelling for technological risk analysis is still incipient, so detailed validation exercises are needed before their use in real applications. 
 This thesis is mainly aimed at assessing the predictive capabilities of different CFD codes (FDS, FLACS-Fire and FireFOAM) when predicting the hazardous effects of hydrocarbon pool fires and jet fires. Specifically, large-scale pool fires of diesel and gasoline (from 1.5 to 6 m-diameter), vertical sonic jet fires of propane (from 0.09 to 0.34 kg/s with orifice diameters of from 10 to 25.5 mm), vertical subsonic jet fires of methane in normal- and sub- atmospheric pressures (from 0.6 to 1 bar with an orifice diameter of 3 mm), and vertical and horizontal subsonic jet fires of propane (from 0.007 to 0.11 kg/s with orifice diameters of from 12.75 to 43.1 mm-diameter) have been modelled in different CFD codes. Prescribing burning rates provide accurate predictions of the pool fire effects with maximum cell sizes of 0.2 m. On the other hand, the cell sizes of sonic and subsonic jet fires should be determined by considering a fire characteristic diameter of 16 and 12, respectively. A minimum number of 400 solid angles is recommended to obtain accurate estimations of the thermal flux. 
 Based on the numerous computational simulations performed, Best Practice Guidelines (BPG) are developed to determine a code as ‘valid’ or not, and to provide guidance on the most suitable modelling settings when performing CFD simulations of accidental hydrocarbon fires. The BPG usefulness is proved through a case study of an oil storage farm located in the Port of Barcelona. Large over-estimations of the heat flux values are found with semi-empirical correlations and thus, the safety measures required would be very conservative and costly. Therefore, CFD modelling is recommended method to perform detailed FHA in chemical and process industries. Les fuites accidentals d'hidrocarburs inflamables en indústries de processos químics poden desencadenar greus riscos: explosions, incendis i dispersions de núvols de vapor tòxics. Les explosions i les dispersions de gasos poden ferir a persones en un radi de danys més gran; tanmateix, els incendis són els esdeveniments accidentals més habituals que poden causar conseqüències catastròfiques en termes de pèrdues de vida i de propietats. En aquest marc, la predicció dels efectes dels incendis pot contribuir significativament a identificar les mesures necessàries per eliminar o mitigar les conseqüències dels accidents en entorns de processos. Els mètodes semi-empírics poden proporcionar estimacions ràpides de la geometria de la flama així com del flux de calor rebut a una distància determinada de l'origen de l'incendi. A partir d'aquesta informació, es poden implementar sistemes de protecció actius i mesures de disseny inherents (és a dir, distàncies de seguretat entre equips) per evitar grans accidents d'incendis. No obstant, aquestes es basen en dades empíriques i no cobreixen les característiques generals del desenvolupaments dels incendis. El modelatge de dinàmica de fluids computacionals (CFD) pot proporcionar una visió més detallada dels efectes dels incendis ja que tenen en compte la complexitat addicional dels escenaris, com ara geometries i condicions límits diferents, i poden representar diferents mides d'incendis: des de petita fins a gran escala. No obstant, les simulacions CFD requereixen dades d'entrada detallades, coneixements experts sobre el fenomen simulat i sobre els models físics implementats, i exigeixen elevats recursos computacionals. L'ús del modelat CFD per a l'anàlisi del risc tecnològic encara és incipient, i per tant, es necessiten exercicis de validació abans de fomentar la seva aplicació en casos reals. Aquesta tesi està dirigida principalment a avaluar les capacitats predictives de diferents codis CFD (FDS, FLACS-Fire i FireFOAM) alhora de predir els efectes perillosos dels incendis de bassa i de dolls de foc. Concretament, de bassa a gran escala amb dièsel i gasolina (d'1.5 fins a 6 m de diàmetre), dolls de foc verticals sònics amb propà (de 0.09 fins a 0.34 kg/s amb diàmetres d'orificis compresos entre 10 i 25.5 mm), dolls de foc verticals subsònics amb metà a diferents pressions atmosfèriques (des de 0.6 fins a 1 bar amb un diàmetre d'orifici de 3 mm), i dolls de foc verticals i horitzontals subsònics amb propà (de 0.007 fins a 0.11 kg/s amb diàmetres d'orifici compresos entre 12.75 i 43.1 mm) s¿han simulat amb les diferents eines CFD. La prescripció de la velocitat de combustió proporciona prediccions precises dels efectes dels incendis de bassal quan la mida de la cel·la és de 0.2 m com a màxim. D'altra banda, la mida de la cel·la per a simulacions de dolls de foc sònics i subsònics s'ha de determinar tenint en compte un diàmetre característic de l'incendi de 16 i 12, respectivament. Es recomana un número mínim de 400 angles sòlids per obtenir estimacions precises dels fluxos tèrmics. A partir de les nombroses simulacions computacionals realitzades es desenvolupament directrius de bones pràctiques (BPG) per determinar un codi com a 'vàlid' o no, i per proporcionar orientació sobre els paràmetres de modelatge més adequats quan es realitzen simulacions CFD d'incendis accidentals d'hidrocarburs. La utilitat del les BPG es demostra mitjançant un cas d'estudi d'una granja d'emmagatzematge d'hidrocarburs situada al Port de Barcelona. Es troben grans sobreestimacions dels valors del fluxos de calor mitjançant correlacions semi-empíriques. Per tant, es recomana la utilització d'eines CFD per realitzar FHA detallats en indústries químiques i de processos.