Turbulent strømning og fordampning av væske i sjakt

Formålet med denne studien er å bidra til bedre forståelse og grunnleggende kunnskap om hvordan kjemiske trusselstoffer oppfører seg ved utslipp og hvordan de spres i luft. Slik kunnskap er et avgjørende grunnlag for konsekvensvurderinger av mulige utslipp og for planlegging av beskyttelsesog mottiltak, og for beredskapstrening og øvelser for Forsvaret og for sivile beredskapsmyndigheter. Det er utviklet en rekke fareprediksjonsverktøy og spredningsmodeller for å vurdere konsekvenser av angrep, sabotasje eller ulykker. En komplett modell inneholder en matematisk og fysisk beskrivelser av en rekke ulike fenomener som til sammen utgjør en spredningshendelse, og kan grovt deles inn i hhv kildemodellering, transportmodellering, og effektmodellering. Forbedring av denne type modeller er et felt der mye forskning gjenstår, da det per i dag er til dels stor usikkerhet knyttet til de tre leddene i modellkjeden. Denne studien fokuserer på kildemodellering. FFI har bidratt med et scenario for innendørs spredning av sarin i NATO-studien RTO-SAS-061 ’Defence against CBRN-attacks in the changing NATO strategic environment’. Scenarioet ble også simulert av andre deltakere, og det viste seg at de ulike deltakerne brukte en fordampningsrate som varierte med inntil en faktor 10. Dette bidrar til tilsvarende store variasjoner for beregninger av konsekvenser og skadeomfang, og er bakgrunnen for dette arbeidet. En nøyaktig beskrivelse av fordampningen er avgjørende for å modellere spredningen realistisk, både når det gjelder tidsforløp og konsentrasjon. Egenskaper til luftstrømmen over den avdampende væskeflaten har stor innvirkning på fordampningsraten. Spesielt viktig er det turbulente grensesjiktet rett over dammen. Hensikten med denne studien er å studere fordampning av en væske, i dette tilfellet nervegassen sarin, i en sjakt, for å bidra til en bedre beskrivelse av fordampning av væsker generelt. Dette kan brukes både i kombinasjon med enkle fareprediksjonsverktøy, enkle spredningsberegninger og mer komplekse modeller. I dette arbeidet er turbulent strømning i en kvadratisk sjakt simulert ved hjelp av ulike turbulensmodeller i ’Computational Fluid Dynamics’-koden Fluent. Resultatene er sammenlignet med direkte numeriske simuleringer for å verifisere den valgte metoden. Basert på de turbulente hastighetsfeltene fra simuleringene er fordampning fra en dam i sjakten, og videre spredning av dampen gjennom sjakten, simulert. Dette er spesielt relevant for innendørs spredning der ventilasjonsanlegg blir brukt, men også viktig i andre scenarier der fordampning av kjemiske trusselstoffer fra en dam inngår. Resultatene viser at luftstrømmen påvirker væskeflaten, og dette har stor innvirkning på fordampningsraten. Fordampningsraten beregnet med simuleringene er omtrent fire ganger høyere enn fordampningsraten beregnet med en enkel modell som baserer seg på molekulær diffusjon i en laminær strøm. Resultatene viser også at en del fordampet sarin fester seg på veggene av sjakten, og dette vil gi opphav til sekundær fordampning. Dette arbeidet vil bli videreført ved å se på andre trusselstoffer og variere egenskaper ved strømningen. Planen er å lage en database med startbetingelser for spredningsberegninger, for senere å kunne gjennomføre fordampningsberegninger raskt og nøyaktig