Modeling the evaporation from a thin liquid surface beneath a turbulent boundary layer

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 videre nødvendigheten av å forbedre vår fundamentale kunnskap om fordamingsprossesser. Dette arbeidet er en videreføring av tidligere arbeid på FFI.

Odd Busmundrud utviklet en modell for fordamping fra dråper og overflater. Hans modell baserer seg i hovedsak på molekylær diffusjon gjennom et tenkt stillestående luftlag over overflaten, og tar kun indirekte hensyn til strømningstekniske effekter på fordampningsprosessen. Studien som presenteres i denne rapporten tar for seg fordampning av en nøytral kontaminant fra en tynn væskeoverflate under et turbulent grensesjikt. Analysen er basert på det turbulente hastighetsfeltet og fluktuasjoner nær en overflate. Målet med studien er å utvikle og verifisere en algebraisk fordampningsmodell som er følsom for grensesjiktsturbulens. Avhengigheten av friksjonshastigheten vises å være naturlig inkludert i analysen, og modellen avhenger ikke av noen a priori antagelser om eksistensen av en logaritmisk grensesjiktetsregion i likevekt. Det turbulente hastighetsfeltet og fluktuasjonene nær vegg er forholdsvis universelle og dermed gyldig for et stort spekter av eksterne strømningsforhold. Modellen er validert ved bruk av eksperimentelle data fra vindtunneleksperimenter.

Arbeidet vil bli videreført ved å inkludere modellen i CFD-software. Det er svært viktig å ha tilgang til gode eksperimentelle data. For å undersøke påvirkningen av ulike aspekter på fordampningen (termiske effekter, turbulens, væskeoverflatens størrelse osv.), er det nødvendig med gode målinger der de ulike parametrene varieres på en systematisk måte. Det vil være av stor nytte å selv kunne foreta slike målinger. Spesielt for skarpe stridsmidler er det vanskelig å få tak i gode eksperimentelle data.