CFD-simulation of hydrogen jet fires using Fire Dynamics Simulator

Thumbnail Image

Files

master_Henriksson_Antti_2024.pdf (20.5 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-10-31

Department

Major/Subject

Chemical and Process Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

265

Series

Abstract

This thesis will govern the use of Fire Dynamics Simulator (FDS) in order to simulate under-expanded hydrogen jet fires using Lagrangian particles. Accurate simulation of large scale hydrogen jet fires utilizing FDS has been relatively unresearched topic. The objective of the thesis was to explore and validate use of FDS for simulation of large scale hydrogen jet flames, using previous experimental research on the topic. Simulations were conducted using test data from previous researches by Schefer and Ekoto as a base for comparison. One of the biggest challenges in simulating large, under-expanded jet flames is the requirement for extremely fine grid size. Large under-expanded jet flames create expansion effects that require significant time to simulate. In this thesis, these highly time-consuming calculations were not performed; instead, Lagrangian particles were used as sources of mass and momentum. The spray simulation results were validated against Schefer’s and Ekoto’s previous results for vertical and horizontal jet flames. When comparing experimented results with the simulated ones, it was observed that these jets could be simulated with good overall accuracy. A 10 cm grid was feasible for this kind of simulation, though the Lagrangian particles still required a long computing time. There were a lot of parameters that needed to be carefully evaluated to simulate these jet fires accurately, as this approach is relatively new. All in all further research involving complex geometries and much smaller grid sizes at the foot of the flame should be done in order to further validate the use of these simulations. FDS development team should also consider the possibility of adding official graphics processing unit (GPU) offloading for parallel computing, as this could potentially speed up the simulations of these jet fires significantly. As a result of this thesis, a new Eulerian-Lagrangian model was developed for hydrogen jet fire simulations.

Tämä diplomityö käsittelee Fire Dynamics Simulatorin (FDS) käyttöä vedyn alilaajentuneiden suihkupalojen mallintamiseen Lagrangen hiukkasominaisuuksia hyödyntäen. Suuren mittakaavan vedyn suihkupalojen simulointi FDS:n avulla on ollut aiemmin suhteellisen vähän tutkittu aihealue. Diplomityön tavoitteena oli tutkia ja validoida FDS:n käyttö suuren mittakaavan vedyn suihkupalojen simulointiin aiempaa kokeellista tutkimusta aiheesta hyödyntäen. Simuloinnit toteutettiin hyödyntäen Scheferin ja Ekoton aikaisempien tutkimusten testiaineistoa vertailukohtina. Yksi suurimmista haasteista suuren mittakaavan alilaajentuneiden suihkupalojen simuloinnissa on vaatimus erittäin hienojakoisille laskentahiloille. Alilaajentuneet suihkupalot vaativat tyypillisesti laajenemisefektien, kuten useiden paineaaltojen simulointia. Näiden simulointi vaatii kuitenkin laskennallisesti valtavan määrän aikaa ja tässä diplomityössä tutkittiin vaihtoehtoista lähestymistapaa, jossa näitä laskelmia ei tarvitse ottaa huomioon. Simulaatioihin syötettiin Lagrangen hiukkasia massan ja liikemäärän lähteinä. Simulointien tuloksia validoitiin Scheferin ja Ekoton tutkimustuloksia vasten. Vertailun tuloksien tarkastelussa havaittiin mitattujen ja simuloitujen liekkien antavan hyvin keskenään vertailukelpoisia tuloksia. 10 cm hilakoon käyttäminen oli mahdollista tämäntyyppisiin simulointeihin, mutta Lagrangen hiukkaset käyttävät silti huomattavan korkean laskenta-ajan simulointien suorittamiseksi. Simulointimalli vaati myös paljon erilaisten parametrien arviointia ja määrittämistä, jotta liekin sai käyttäytymään halutulla tavalla. Tämäntyyppinen lähestymistapa on uusi vedyn suihkupalojen paloturvallisuuden maailmassa, joten erilaisten parametrien kriittinen arviointi oli tärkeää. Kaiken kaikkiaan lisätutkimusta tarvitaan, jossa laskentamalliin lisätään monimutkaista geometriaa ja tutkitaan vielä pienempien laskentahilojen vaikutusta simulointituloksiin. FDS:n kehittäjien olisi myös hyvä tutkia mahdollisuutta lisätä virallinen tuki näytönohjaimen rinnakkaislaskentakapasiteetin hyödyntämiselle, koska tämän ansiosta voitaisiin mahdollisesti nopeuttaa tämäntyyppisiä rinnakkaislaskentaa hyödyntäviä simulaatioita huomattavasti. Diplomityön tuloksena kehitettiin kokonaan uudenlainen Eulerin-Lagrangen malli vedyn suihkupalojen simulointia varten.

Description

Supervisor

Hostikka, Simo

Thesis advisor

Lehtimäki, Miikka

Keywords

CFD, vedyn suihkupalon simulointi, FDS, Lagrangen hiukkaset, vetytalous, turvallisuus

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202412117736

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM