Application of a VOF-DPM CFD method to model subsea CO2 releases from a rupture in an high-pressure pipeline

Carbon capture and storage (CCS) is considered to reduce carbon emissions in the atmosphere and one of the necessary elements of the global warming prevention strategy. The aspect of environmental and human safety (HSE) will be important in CCS projects. In this work, the focus will be on accidental subsea CO2 releases that could represent an HSE related risk. Prediction models of the consequences of a pipeline rupture are part of the required toolbox necessary to perform a risk assessment. To do that some reliable tools to generate reliable data are used. One of these tools is computational fluid dynamics (CFD), which through the application of an Eulerian-Lagrangian model can simulate a high mass rate subsea gas release. This model can be implemented on the Ansys Fluent software, which, thanks to the default functions and a set of User Defined Functions (UDF), allows simulation of the problem. This model, present in literature for years, will be described and applied to some cases of shallow water CO2 releases.

Il recente interesse legato alla cattura e lo stoccaggio di anidride carbonica, come parte della strategia per ridurre le emissioni di carbonio in atmosfera, spinge ad affrontare una serie di problematiche, tra cui quelle legate al tema della sicurezza. Lo stoccaggio di CO2 in campi di idrocarburi quasi esauriti e off-shore, avviene trasportandola attraverso pipeline sottomarine. In questo lavoro, l’attenzione sarà posta sulle possibili perdite accidentali di CO2 in condizioni sottomarine, che potrebbero comportare dei rischi ambientali e di sicurezza per l’uomo. Vi è la necessità di avere degli strumenti per studiare il comportamento e le conseguenze di tali eventi, soprattutto in caso di rottura di una pipeline. Uno di questi strumenti è il calcolo computazionale fluidodinamico (CFD), che attraverso l’applicazione di un modello Euleriano-Lagrangiano può studiare il rilascio di alte quantità di anidride carbonica in condizioni sottomarine, fornire dati e informazioni utili per eseguire una valutazione del rischio correlato. L’applicazione del modello passa attraverso la sua implementazione sul software Ansys Fluent, che anche grazie alla scrittura di un set di “User Defined Functions”, permette di simulare il problema sopracitato. Il modello, presentato in letteratura da diversi anni, verrà descritto e applicato a dei casi di perdite in bassa profondità.