MODELLING AND SIMULATION
Esempio
titolo DISPERSION
OF HEAVY CLOUD
IN SEMI-CONFINED URBAN AREAS
A. Busciglio, A. Brucato, F. Grisafi, F. Scargiali
Dipartimento
Ingegneria Chimica
Dei Processi e dei Materiali
Department
ofdiChemical
Engineering
Viale
Delle Scienze,
6, 90128, Palermo, Italy
University
ofed.Palermo
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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PALERMO-Dipartimento di Ingegneria Chimica dei Processi e dei Materiali
INTRODUCTION
LARGE USAGE OF TOXIC AND/OR FLAMMABLE
CHEMICALS 
DANGER DUE TO AN ACCIDENTAL RELEASE
POSSIBILITY OF FORMATION OF A “HEAVY
CLOUD”
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WHAT MAKES A CLOUD “HEAVY”?
• HIGH MOLECOLAR WEIGHT
(i.e. Chlorine, Cyclohexane,etc.)
• LOW TEMPERATURE
• PRESENCE OF AEROSOL
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HEAVY CLOUD FEATURES
Direction of wind
“Flattened” shape
Tendency to downwards stratification
High pollutant ground
concentrations, where the threat to
human safety is highest
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AVAILABLE MODELS
SIMPLIFIED MODELS
More than 100, different nature and complexity
• Oversimplifications
Large computational
savings for simple
geometries
Unsuitable for
simulating articulated
geometries
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CFD MODELS
(Computational Fluid Dynamics)
SOLVES THE HEAVY GAS DISPERSION
PROBLEM STARTING FROM THE BASIC
CONSERVATION EQUATIONS
MINIMUM APPROXIMATION IN THE
SIMULATION OF COMPLEX TERRAIN
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PRESENT WORK
APPLICATION OF A GENERAL PORPOUSE CFD CODE
(AEA CFX 4.4) TO THE SIMULATION OF DENSE CLOUD
DISPERSION INSIDE URBAN AREAS
WIND DIRECTION
RELEASE POINT
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CONSTITUTIVE EQUATIONS (turbulent)
• Continuity :

    u 
t
• Momentum balance :
(l )
(t )
 u
    u u    p  [  τ ] - [  τ ]  g
t
• Transport equation for the scalar :

 Y
t  2
    u Y    D   Y
t
Y 

 y  0,8
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TURBULENCE MODEL

t  
Dk

      k    t G  Gk   
Dt
k  

  eff

D

2

   
   C1  t G  C3Gk   C2 
Dt
k
k
 

Buoyancy-related turbulence energy generation term
Gk  
t

g     t  g  Y
 c
c
(with C3  0,5)
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WEAKLY COMPRESSIBLE APPROXIMATION
low Mach Number (M<0,3)
(AEA CFX 4.4)
•
PM

RT
ref
W
No sound waves are allowed
(infinite sound speed)
• Kinetic energy negligible with respect to
internal energy
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Preliminary validation
u∞
z
x
y
RELEASE POINT
(Ayrault et al. J.Flow Vis. Im. Proc, 1995 and ’97)
DETECTION LINE
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Horizontal mean concentration
profiles downwind the fence
DensePlume
Plume
Dense
Passive plume
1,2
1,2
1,2
1,0
1,0
C/Cmax
C/Cmax
1,0
C/Cmax
0,8
0,6
0,4
0,8
0,8
0,6
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0,2
0,0
0,0
0,0
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
-0,2
-0,2
0,0
0,0
(m)
yy(m)
y (m)
Experimental data
-0,4
-0,4
Model data
0,20,2
0,40,4
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INTERMEDIATE CONCLUSION
THE BUOYANCY TREATMENT ADOPTED
APPEARS TO BE EFFECTIVE IN THE DESCRIPTION
OF BUOYANT FLOWS OF THE TYPE OF
INTEREST IN THIS WORK
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COMPUTATIONAL DOMAIN
SIMPLE NETWORK OF CITY ROADS WITH
BUILDINGS ON THEIR SIDES
WIND DIRECTION
S
RELEASE POINT
H
W
500.000 cells
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SIMULATION STRATEGY
• FLOW FIELD SIMULATION BEFORE THE RELEASE
SINGLE BLOCK
WITH
ONE BUILDING
• HEAVY CLOUD (CHLORINE) RELEASE SIMULATION
TOTAL DOMAIN OF 24 BUILDINGS
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SINGLE BLOCK SIMULATION
• Steady state simulation with constant wind velocity
on the top plane (u) and “periodic” planes in the
four vertical sides
30.000WIND
CELLS
DOMAIN
DIRECTION
u
periodic
planes
A
B
RELEASE POINT
u= 5 m/s, at 100 m
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FLOW FIELD VECTOR PLOT
VERTICAL PLANE
ACROSS THE BUILDING
WIND DIRECTION
Wind speed m/sec
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FLOW FIELD VECTOR PLOT
HORIZONTAL
PLANE ACROSS
THE BUILDING
WIND DIRECTION
Wind speed m/sec
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FLOW FIELD VALIDATION
Vertical profiles of normalized velocity
BEHIND A BLOCK ( point A)
IN THE GAP (point B)
BEHIND A BLOCK ( point A)
6
6
A
5
5
h/H
h/H
h/H
4
3
3
2
2
B
3
2
1
1
0
0
4
1
-0.2
-0.2
0
0
0.2
0.2
0.4
0.4
0.6
0.6
0.8
0.8
1
1
1.2
1.2
U/U
U/UH
H
Water channel
0
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
U/U
U/UHH
0.8
1
1.2
Model data
(Hanna et al., Atm. Env. 2002)
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TOTAL DOMAIN SIMULATION
THE FLOW FIELD OBTAINED IN THE SINGLE BLOCK
WAS SUITABLY REPLICATED IN ORDER TO OBTAIN
THE INITITIAL FLOW FIELD OVER THE TOTAL DOMAIN
OF 24 BUILDINGS
AN INSTANTANEUS RELEASE OF 100 Kg OF CHLORINE
WAS THEN SIMULATED
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RESULTS
Building height H = 12 m (H/W = 0,6) ; buildings area coverage f = 14 %
WIND DIRECTION
25 ppm
10 000 ppm
RELEASE POINT
t=15 sec
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RESULTS
Building height H = 12 m (H/W = 0,6) ; buildings area coverage f = 14 %
WIND DIRECTION
25 ppm
10 000 ppm
RELEASE POINT
T = 1 min
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RESULTS
Building height H = 12 m (H/W = 0,6) ; buildings area coverage f = 14 %
WIND DIRECTION
25 ppm
10 000 ppm
RELEASE POINT
t = 2 min
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RESULTS
Building height H = 12 m (H/W = 0,6) ; buildings area coverage f = 14 %
WIND DIRECTION
25 ppm
1000 ppm
RELEASE POINT
t = 3 min
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RESULTS
Building height H = 12 m (H/W = 0,6) ; buildings area coverage f = 14 %
WIND DIRECTION
RELEASE POINT
t = 4 min
25 ppm
1000 ppm
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RESULTS
Building height H = 12 m (H/W = 0,6) ; buildings area coverage f = 14 %
WIND DIRECTION
25 ppm
1000 ppm
RELEASE POINT
t = 5 min
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INFLUENCE OF NORMALIZED HEIGHT
Building width W = 20 m; face to face distance S = 32 m
H/W= 0
H/W 0.3
25 ppm
10 000 ppm
25 ppm
10 000 ppm
H/W= 0.6
25 ppm
10 000 ppm
H/W=1.2
25 ppm
10 000 ppm
t=30 sec
25 ppm
10 000 ppm
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INFLUENCE OF NORMALIZED HEIGHT
Cmax vs distance from the release point
1.E-01
Cmax
1.E-02
H/W= 0
H/W = 0.3
1.E-03
H/W = 0.6
H/W = 1.2
1.E-04
0
100
200
L (m)
300
400
500
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INFLUENCE OF BUILDING FRACTIONAL AREA
Building width W = 20 m; Building height H = 12 m
f=0
f = 14 %
25 ppm
10 000 ppm
25 ppm
10 000 ppm
f = 20 %
25 ppm
10 000 ppm
t=30 sec
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INFLUENCE OF BUILDING FRACTIONAL AREA
Cmax vs distance from the release point
1.E-01
Cmax
f = % building area coverage
f=0
f = 14 %
f = 20 %
1.E-02
1.E-03
0
100
200
300
L (m)
400
500
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CONCLUSIONS
•A SIMULATION PROCEDURE FOR DENSE CLOUD DISPERSION ABLE
TO EXPLOIT GENERAL PURPOSE CFD CODES HAS BEEN
DEVELOPED
•THE BUOYANCY TREATMENT ADOPTED WAS SHOWN TO BE IN
VERY GOOD AGREEMENT WITH WIND TUNNEL EXPERIMENTAL
DATA FOR HEAVY PLUME DISPERSION AFTER A FENCE
•THE PROCEDURE WAS THEN APPLIED TO A SIMPLIFIED GEOMETRY
MIMIKING A URBAN CANOPY
•THE BEFORE-RELEASE FLOW FIELD OBTAINED WAS FOUND TO BE
IN EXCELLENT AGREEMENT WITH LITERATURE EXPERIMENTAL
DATA
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CONCLUSIONS
•THE BUILDINGS HEIGHT AND FRACTIONAL AREA COVERAGE
WERE FOUND TO STRONGLY INFLUENCE CLOUD DISPERSION
DYNAMICS BY INCREASING VERTICAL AND SIDE DISPERSION
RATES
•RESULTS INDICATE THAT FLAT-TERRAIN SIMULATIONS TEND TO
OVERESTIMATE THE CONCENTRATION LEVELS REACHED
DOWNSTREAM THE RELEASE POINT
•THE SIMULATION PROCEDURE HERE DEVELOPED MAY BE
EMPLOYED TO GENERATE “PSEUDO-EXPERIMENTAL”
INFORMATION FOR ASSESSING SIMPLIFIED MODELS ACCURACY
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THANK YOU FOR YOUR ATTENTION