Pool fire studies of corn oil using Fire Dynamic Simulator (CFD)

Energy is an essential element of contemporary life, with increasing consumption driven by both global population growth and improving living standards across various sectors, including electricity generation and transportation. This growing demand pushes nations to seek new energy sources while also addressing the risks associated with the energy sector, such as pool fires—catastrophic events that can occur in large atmospheric storage tanks containing oil or other fuels, or as a result of spills. The National Fire Protection Agency defines a pool fire as a turbulent diffusion flame that ignites and develops above a pool of evaporating fuel. The unpredictable nature of pool fires presents significant challenges for firefighting efforts and decision-making processes. To enhance the understanding of pool fire dynamics, this research focuses on modeling a case study using the Fire Dynamics Simulator (FDS) computational fluid dynamics (CFD) code, examining the effects of various conditions, such as wind, on fire behavior and flame dynamics. This methodology enables the prediction of critical factors, including the time between ignition and full fire development, temperature and heat flux effects, and environmental impacts. The first phase of the PHOENIX project, launched in 2015 in collaboration with TOTAL Raffinate Chimie, the La Mède platform, and IMT Mines d'Alès, investigated the likelihood that corn oil could ignite a pool fire in typical tank fire scenarios. Small-scale experiments were conducted using a stainless-steel container with an 80 cm diameter, equipped with a vertically arranged array of thermocouples to monitor flame temperature evolution. Additionally, thermocouples were placed to track heating within the liquid fuel over time and thermal stratification. Developing a reliable predictive tool for pool fire events requires a thorough understanding of the heating dynamics of the fuel pool as well. The experimental data collected allowed for the evaluation of the predictive capabilities of the FDS model, a CFD fire simulation code based on the Large Eddy Simulation (LES) approach. The case study examined two key parameters—hood and wind effects—deemed highly influential in the simulation results. The thermal behavior of the oil in the tank was monitored through a network of thermocouples to analyze temperature distribution in both liquid and gas phases, enabling a robust comparison between experimental and simulated results. Model predictions were compared with experimental data in terms of temperature variations over time, fuel consumption rate, and flame temperature. These findings provided insights into combustion evolution phases and the mechanisms governing oil behavior during pool fires. Notably, the study also explored scenarios without hood and wind conditions to assess their specific impact compared to controlled experimental benchmarks. Each simulation process proved to be computationally intensive, requiring significant time and effort for analysis and interpretation.

L'energia è un elemento essenziale della vita contemporanea, con un consumo in aumento dovuto sia alla crescita della popolazione globale che al miglioramento degli standard di vita in vari settori, tra cui la generazione di elettricità ed il trasporto. Questa crescente domanda spinge le nazioni a cercare nuove fonti energetiche, affrontando al contempo i rischi del settore energetico, come gli incendi da pozza (pool fires), eventi catastrofici che possono verificarsi nei grandi serbatoi atmosferici di stoccaggio del petrolio o di altri combustibili, o in seguito a sversamenti. La National Fire Protection Agency definisce un incendio da pozza come un fiamma diffusiva turbolenta che si innesca e sviluppa sopra una pozza di combustibile evaporante. La natura imprevedibile degli incendi di pozza pone sfide significative per gli interventi di spegnimento e i processi decisionali. Per approfondire la comprensione della dinamica degli incendi da pozza, questa ricerca si concentra sulla modellazione di un caso studio utilizzando il codice di fluidodinamica Fire Dynamics Simulator (FDS), esaminando gli effetti di varie condizioni, come il vento, sul comportamento dell’incendio e la dinamica di fiamma. Questa metodologia consente di prevedere fattori critici, tra cui la durata tra l'ignizione e lo sviluppo completo dell'incendio, gli effetti della temperatura e del flusso termico, nonché gli impatti ambientali. La prima fase del progetto PHOENIX, avviato nel 2015 in collaborazione con TOTAL Raffinate Chimie, la piattaforma La Mède e IMT Mines d'Alès, ha indagato la probabilità che l'olio di mais inneschi un incendio da pozza in scenari tipici di incendi di serbatoi. Sono stati condotti esperimenti su piccola scala utilizzando un contenitore in acciaio inox di 80 cm di diametro, dotato di una serie di termocoppie disposte verticalmente per monitorare l’andamento della temperatura di fiamma. Inoltre, sono state inserite termocoppie per monitorare il riscaldamento all’interno del combustibile liquido nel tempo e la stratificazione termica. Per sviluppare uno strumento predittivo affidabile per gli incendi da pozza, è infatti fondamentale comprendere la dinamica di riscaldamento della pozza. I dati sperimentali raccolti hanno permesso di replicare di valutare le cpacità predittive del modello FDS, codice CFD per incendi basato sull'approccio Large Eddy Simulation (LES). Il caso studio ha esaminato due parametri principali — effetto della cappa e del vento — ritenuti altamente influenti sui risultati della simulazione. Il comportamento termico dell'olio nel serbatoio è stato monitorato tramite una rete di termocoppie per analizzare la distribuzione della temperatura nelle fasi liquida e gassosa, consentendo un confronto solido tra risultati sperimentali e simulati. I confronti tra predizioni del modello e dato sperimentale hanno riguardato la variazione della temperatura nel tempo, la velocità di consumo del combustibile e la temperatura della fiamma. Questi risultati hanno fornito informazioni sulle fasi di evoluzione della combustione e sui meccanismi che regolano il comportamento dell'olio durante gli incendi di pozza. In particolare, lo studio ha anche esplorato scenari senza cappa e vento per valutare il loro impatto specifico rispetto ai benchmark sperimentali controllati. Ogni processo di simulazione si è rivelato computazionalmente intensivo, richiedendo un notevole tempo e sforzo per l'analisi e l'interpretazione.