Vorhersage der thermischen Strahlung großer Kohlenwasserstoff- und Peroxid-Poolfeuer mit CFD Simulation

Zusammenfassung

Flammentemperaturen (T), die spezifische Ausstrahlung (SEP) sowie Bestrahlungsstärken (E) in großskaligen JP-4-Poolfeuern (d=2, 8, 16, 25 m) und Di-tert-butylperoxid (DTBP)-Poolfeuern (d=1.12 m, 3.4 m) werden durch CFD Simulation vorhergesagt und experimentell bestimmt. Als Messmethoden werden ein IR-Thermografie Kamerasystem mit Videomischeinheit zur Ermittlung von T, SEP sowie ein Ellipsoidalradiometer zur Bestimmung von E herangezogen. Die häufigsten, zeitlich gemittelten Emissionstemperaturen für JP-4-Poolfeuer (d=16 m) liegen im Bereich $793\,\mathrm{K} < \overline{T} < 1033\,\mathrm{K}$ und für DTBP-Poolfeuer (d=1.12 m) im Bereich $1040\,\mathrm{K} < \overline{T} < 1480\,\mathrm{K}$. Für DTBP-Poolfeuer (d=1.12 m) beträgt die gemessene, mittlere $\overline{\text{SEP}} \approx 130\,\mathrm{kW/m^{2}}$ und ist bis um den Faktor ≈6 größer im Vergleich zu KW-Poolfeuern (d≈1 m). Im Falle des DTBP-Poolfeuers (d=3.4 m) mit $\overline{\text{SEP}} \approx 250\,\mathrm{kW/m^{2}}$ beträgt der Faktor ≈5 im Vergleich zur $\overline{\text{SEP}} \approx 50\,\mathrm{kW/m^{2}}$ eines LNG-Poolfeuers (d=4 m). Die mit zunehmender, relativer Entfernung ∆y/d vom Poolrand abnehmenden, gemessenen mittleren Bestrahlungsstärken $\overline{E}$ (∆y/d) stimmen mit den durch CFD Simulation bestimmten $\overline{E}_{\text{CFD}}$ (∆y/d) i. A. gut überein. Ebenso liegt eine gute Übereinstimmung zwischen den gemessenen, mittleren $\overline{T}$ und $\overline{\text{SEP}}$ bei KW- und DTBP-Poolfeuern mit den durch CFD vorhergesagten $\overline{T}_{\text{CFD}}$, $\overline{\text{SEP}}_{\text{CFD}}$ vor. Die Möglichkeiten und derzeitigen Grenzen der CFD Simulation bei großen Bränden werden diskutiert.

Abstract

Flame temperatures (T), surface emissive powers (SEP) and irradiances (E) of large-scale JP-4 pool fires (d=2, 8, 16, 25 m) and di-tert-butyl peroxide (DTBP) pool fires (d=1.12 m, 3.4 m) are investigated experimentally and by CFD simulation. As experimental methods an infrared thermographic camera system with video-mixing unit is used for the determination of T, SEP and an ellipsoidal radiometer for the determination of E. The maximum frequency of time-averaged emission temperatures for JP-4 pool fire (d=16 m) are in a range of $793\,\mathrm{K} < \overline{T} < 1033$ and for DTBP pool fire (d=1.12 m) are a range of $1040\,\mathrm{K} < \overline{T} < 1480\,\mathrm{K}$. For DTBP pool fire (d=1.12 m), the measurements result in $\overline{\text{SEP}}\approx 130\,\mathrm{kW/m^{2}}$ which is up to a factor of ≈6 larger in comparison to hydrocarbon pool fires (d≈1 m). In a case of DTBP pool fire (d=3.4 m) with $\overline{\text{SEP}} \approx 250\,\mathrm{kW/m^{2}}$ this factor is ≈5 compared to $\overline{\text{SEP}} \approx 50\,\mathrm{kW/m^{2}}$ of LNG pool fire (d=4 m). By increasing the relative distance ∆y/d from the pool rim, measured time averaged irradiances $\overline{E}$ (∆y/d) decrease and agree well with CFD predicted $\overline{E}_{\text{CFD}}$ (∆y/d). Also, there is a good agreement between the measured time averaged $\overline{T}$ and $\overline{\text{SEP}}$ of hydrocarbons and DTBP pool fires, with the predicted $\overline{T}_{\text{CFD}}$ and $\overline{\text{SEP}}_{\text{CFD}}$ values. The possibilities and nowadays limitations of CFD simulation of large pool fires are discussed. This study has shown that the risk potential of accidental pool fires referring to thermal radiation can be predicted much better than in the past.