Quantitative dispersion analysis of leakages of flammable and/or toxic substances on environments with barriers or semi-confined
Authors:   , Miralles Schleder Adriana 
Published: September 2023

With the industrial and technological development of the present-day society, the presence of flammable and toxic substances has increased in a growing number of activities. Dispersion of hazardous gas releases occurring in transportation or storage installations represent a major threat to health and environment. Therefore, forecasting the behaviour of a flammable or toxic cloud is a critical challenge in quantitative risk analysis. The main aim of this dissertation has been to provide new insights that can help technological risks analysts when dealing with complex dispersion modelling problems, particularly those problems involving dispersion scenarios with barriers or semi-confined.
A literature survey has shown that, traditionally, empirical and integral models have been used to analyse dispersion of toxic/flammable substances, providing fast estimations and usually reliable results when describing simple scenarios (e.g. unobstructed gas flows over flat terrain). In recent years, however, the use of CFD tools for simulating dispersion accidents has significantly increased, as they allow modelling more complicated gas dispersion scenarios, like those occurring in complex topographies, semi-confined spaces or with the presence of physical barriers. Among all the available CFD tools, FLACS® software is envisaged to have high performance when simulating dispersion scenarios, but, as other codes alike, still needs to be fully validated.
This work contributes to the validation of FLACS software for dispersion analysis. After a literature review on historical field tests, some of them have been selected to undertake a preliminary FLACS performance examination, inspecting all possible sources of uncertainties in terms of reproducibility capacity, grid dependence and sensitivity analysis of input variables and simulation parameters. The main outcomes of preliminary FLACS investigations have been shaped as practical guiding principles to be used by risk analysts when performing dispersion analysis with the presence of barriers using FLACS software or tools alike.
Although the literature survey has shown some experimental data available, none of the works include detailed exercises giving new insights of how to perform accurate CFD simulations nor giving precise rates of FLACS performance. Therefore, new experiments have been performed in order to offer new sets of cloud dispersion data for comprehensive validation studies. Propane cloud dispersion field tests (unobstructed and with the presence of a fence obstructing the flow) have been designed and undertaken at Can Padró Security and Safety training site (Barcelona) by which intensive data on concentration has been acquired. Four tests were performed, consisting on releases up to 0.5 kg/s of propane during 40 seconds in a discharge area of 700 m2.
FLACS software has been challenged against the experimental data collected during the field tests. In general terms, the CFD-based simulator has shown good performance when simulating cloud concentration. FLACS reproduces successfully the presence of complex geometry and its effects on cloud dispersion, showing realistic concentration decreases due to cloud dispersion obstruction by the existence of a fence. However, simulated clouds have not represented the whole complex accumulation dynamics due to wind variation, since they have diluted faster than experimental clouds.
Com o atual desenvolvimento industrial e tecnológico da sociedade, a presença de substâncias inflamáveis e/ou tóxicas aumentou significativamente em um grande número de atividades. A possível dispersão de gases perigosos em instalações de armazenamento ou em operações de transporte representam uma grande ameaça à saúde e ao meio ambiente. Portanto, a caracterização de uma nuvem inflamável e/ou tóxica é um ponto crítico na análise quantitativa de riscos. O objetivo principal desta tese foi fornecer novas perspectivas que pudessem auxiliar analistas de risco envolvidos na análise de dispersões em cenários complexos, por exemplo, cenários com barreiras ou semi-confinados.
A revisão bibliográfica mostrou que, tradicionalmente, modelos empíricos e integrais são usados na análise de dispersão de substâncias tóxicas / inflamáveis, fornecendo estimativas rápidas e geralmente confiáveis ao descrever cenários simples (por exemplo, dispersão em ambientes sem obstruções sobre terreno plano). No entanto, recentemente, o uso de ferramentas de CFD para simular dispersões aumentou de forma significativa. Estas ferramentas permitem modelar cenários mais complexos, como os que ocorrem em espaços semi-confinados ou com a presença de barreiras físicas. Entre todas as ferramentas CFD disponíveis, consta na bibliografia que o software FLACS® tem bom desempenho na simulação destes cenários. Porém, como outras ferramentas similares, ainda precisa ser totalmente validado.
Após a revisão bibliográfica sobre testes de campo já executados ao longo dos anos, alguns testes foram selecionados para realização de um exame preliminar de desempenho da ferramenta CFD utilizado neste estudo. Foram investigadas as possíveis fontes de incertezas em termos de capacidade de reprodutibilidade, de dependência de malha e análise de sensibilidade das variáveis de entrada e parâmetros de simulação. Os principais resultados desta fase foram moldados como princípios práticos a serem utilizados por analistas de risco ao realizar análise de dispersão com a presença de barreiras utilizando ferramentas CFD.
Embora a revisão bibliográfica tenha mostrado alguns dados experimentais disponíveis na literatura, nenhuma das fontes encontradas incluem estudos detalhados sobre como realizar simulações de CFD precisas nem fornecem indicadores precisos de desempenho. Portanto, novos testes de campo foram realizados a fim de oferecer novos dados para estudos de validação mais abrangentes. Testes de campo de dispersão de nuvem de propano (com e sem a presença de barreiras obstruindo o fluxo) foram realizados no campo de treinamento da empresa Can Padró Segurança e Proteção (em Barcelona). Quatro testes foram realizados, consistindo em liberações de propano com vazões de até 0,5 kg/s, com duração de 40 segundos em uma área de descarga de 700 m2. Os testes de campo contribuíram para a reavaliação dos pontos críticos mapeados durante as primeiras fases deste estudo e forneceram dados experimentais para serem utilizados pela comunidade internacional no estudo de dispersão e validação de modelos.
Simulações feitas utilizando-se a ferramenta CFD foram comparadas com os dados experimentais obtidos nos testes de campo. Em termos gerais, o simulador mostrou bom desempenho em relação às taxas de concentração da nuvem. O simulador reproduziu com sucesso a geometria complexa e seus efeitos sobre a dispersão da nuvem, mostrando claramente o efeito da barreira na distribuição das concentrações. No entanto, as simulações não foram capazes de representar toda a dinâmica da dispersão no que concerne aos efeitos da variação do vento, uma vez que as nuvens simuladas diluíram mais rapidamente do que nuvens experimentais.
Amb el desenvolupament industrial i tecnològic de la societat actual, la presència de productes tòxics i inflamables s'ha vist incrementada àmpliament en diferents sectors. La dispersió de fuites de substàncies perilloses que poden tenir lloc durant el transport o emmagatzematge d'aquestes, pot representar un risc important per a les persones i pel medi ambient. Per això, poder predir el comportament d'un núvol tòxic o inflamable representa un dels reptes més importants de l'anàlisi quantitativa del risc. El principal objectiu d'aquesta tesi és el d'aportar nous coneixements que siguin d'interès pels analistes de risc tecnològic a l'hora d'enfrontar-se a problemes de modelització dispersió de certa complexitat, com ara aquells que ocorren en escenaris semi-confinats o amb presència de barreres.
La revisió bibliogràfica ha permès detectar que, tradicionalment, els models que més s’han emprat per analitzar la dispersió de fuites han estat els de naturalesa empírica i integral, ja que aquests poden donar bones prediccions i de manera més àgil en escenaris senzills sense obstruccions i en terreny pla. Tanmateix, en els darrers anys, l’ús d’eines CFD (Computational Fluid Dynamics) per a simular la dispersió accidental s’ha vist incrementat, ja que aquests programaris permeten modelitzar escenaris més complexos, pel que fa a la topografia o a la presència d’elements que puguin obstruir el flux de material. D’entre totes les eines CFD disponibles, el programari FLACS® és el que mostra més potencial a l’hora de simular aquesta tipologia d’escenaris, però, com altres eines de la seva tipologia, encara requereix estudis complerts de validació.
Aquesta tesi contribueix a la validació de FLACS per a realitzar anàlisis de dispersió. Després de revisar amb cura els estudis experimentals de la bibliografia, alguns d’ells han estat seleccionats per a dur a terme una avaluació inicial de les prestacions de FLACS, en la que s’han investigat totes les possibles fonts d’incertesa que poden aparèixer en les simulacions. Se n’ha estudiat la reproductibilitat, la dependència del domini i mida de cel·les i la sensibilitat de la concentració a variacions en les variables d’entrada i en els paràmetres de simulació. Els principals resultats d’aquesta anàlisi preliminar s’han presentat en forma de ―principis guia‖ que podran ser utilitzats per analistes de risc per tal que puguin simular de manera acurada escenaris complexes de dispersió amb l’eina FLACS o amb d’altres programaris similars.
Tot i que a la bibliografia hi ha algunes dades experimentals disponibles, cap dels treballs inclou exercicis de validació suficientment complets. Tampoc s’hi inclou informació sobre com cal plantejar adequadament els escenaris de simulació ni tampoc s’hi troben valoracions quantitatives de la fiabilitat de FLACS. Per aquest motiu, en el marc d’aquesta tesi, s’ha dut a terme experiments per tal de tenir noves dades que permetin realitzar estudis de validació complets. Les proves han consistit en fuites de propà (lliures i amb obstruccions) i s’han dut a terme al centre de seguretat Can Padró (Sant Vicenç de Castellet, Barcelona). Amb aquests experiments s’ha pogut obtenir una gran quantitat de dades de concentració dels núvols experimentals. S’han dut a terme un total de 4 proves, amb cabals de 0.5 kg/s en una àrea de descàrrega de 700 m2.
Les prestacions de FLACS ha estat provades tot simulant les proves experimentals. A nivell general, el programari ha tingut un bon rendiment a l’hora de simular la concentració dels núvols de propà. A més, ha pogut reproduir de manera adequada la presència d’una obstrucció i els seus efectes en la dispersió, donant resultats de descens de concentració realistes. Tanmateix, els núvols simulats no han representat en la seva totalitat la dinàmica d’acumulació dels experiments reals degut a la gran variabilitat del vent i han mostrat temps de dilució inferiors als reals.