Analysis of different methods for thermal radiation valuation and thermal radiation attenuation

In order to estimate if the adjacent tanks need to be cooled in case of fire, because of a too high thermal radiation on them, the radiant heat from the fire on a target object must be quantified. There are different methods available in the literature to calculate the radiant heat flux to a specified target and each of these models is based on assumptions about the fire. In this thesis work the performance different models to predict the radiation of a large liquid storage tank fire involving neighboring tanks have been investigated. The aim of the work has been to analyze the radiative risk of a new Tank Farm that will be built in the Rotterdam Harbor, the attention has been focused on six of the new tanks that will be present in the new Terminal. Two different fire scenarios have been considered: a full surface fire on the roof of one of the six tanks and a fire in the containment trench surrounding the six tanks. The component chosen for the analysis has been Benzene. Through the models and software used a special attention has been focused on FDS software, for which, two validations analysis have been conducted. Because of safety threshold for human beings and materials it’s important to understand which could be the possible attenuation methods for thermal radiation; for this reason two different evaluations have been done, the first one to establish the impact of a water curtain on incident heat flux and the second one to see if a physical obstacle could be considered a good attenuation method for radiation.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso una spin-off dell’Università di Gent in Belgio, FESG (Fire Engineered Solutions Ghent), la quale si occupa prevalentemente di fluidodinamica degli incendi ed è stato presentato al Congresso Fireforum 2014 : "Innovation in fire safety: an answer to the crisis" svoltosi a Bruxelles il 21 e 22 Novembre 2014. La ricerca è stata concentrata sullo studio delle conseguenze termiche da pool fire in una nuova Tank Farm che sarà costruita nel porto di Rotterdam; lo studio ha richiesto l'analisi dei livelli di radiazione termica nell'ambiente circostante l’incendio da pozza considerando due scenari: l'incendio sull’intera superficie del tetto di un serbatoio e l'incendio all'interno del compartimento, in cui è contenuto un serbatoio che a causa di un guasto rilascia a terra tutto il suo contenuto; i due scenari sono stati valutati in presenza e in assenza di vento. Il composto di riferimento scelto per l’analisi è stato il Benzene, in quanto è risultato essere potenzialmente il più pericoloso tra i possibili combustibili che saranno stoccati nella Tank Farm. Inizialmente sono stati studiati i modelli esistenti per il calcolo della radiazione termica: a partire da modelli semi-empirici per finire con modelli di fluidodinamica computazionale. Dopo l’applicazione e il confronto delle performance dei vari modelli, l'attenzione è stata concentrata sul software FDS (Fire dynamics Simulator, versione 5), il quale viene utilizzato prevalentemente per simulare incendi da pozza, grazie all’implementazione di un approccio LES per trattare la combustione turbolenta. Per la costruzione della geometria complessa sotto analisi è stato utilizzato Pyrosim2014, il software di interfaccia grafica di FDS. Sono stati svolti due studi di validazione del software FDS, uno riguardante un incendio in ambiente confinato e il secondo per incendio all’esterno. Sono state implementate tre analisi di sensitività: la prima, poiché il risultato delle simulazioni risulta essere dipendere dalla dimensione delle celle di calcolo, è stata incentrata sul passo di griglia; la seconda sul numero di angoli discreti, infatti, sebbene la radiazione termica da una particella di soot venga emessa in tutte le direzioni, FDS risolve l’equazioni di trasporto termico su un numero finito di vettori direzionali, nel lavoro di tesi sono stati valutati gli effetti dell’utilizzo di un diverso numero di angoli discreti, variati da 100 a 5000; la terza analisi di sensitività è stata svolta per tenere conto del tipo di modello per la risoluzione del trasporto termico: in particolare sono stati considerati il modello a banda singola (con l’ipotesi del corpo grigio) e un modello a sei bande. In fine, ancora grazie all’utilizzo di FDS, sono stati analizzati due mezzi di attenuazione della radiazione termica: il raffreddamento per mezzo di acqua e l’attenuazione del flusso termico offerta da un ostacolo fisico quale potrebbe essere un muro di cemento.