Hvordan påvirkes avdampningsraten til en væskebrann når lengde-bredde forholdet endres? Bacheloroppgave av Kåre Myklebust og Dag Erik Molandsveen

Bakgrunn for oppgava Problem Formål Bakgrunn for oppgava: Avdampningsraten sier noe om hvor fort det aktuelle brenselet som er involvert brenner, og dermed også noe om energiproduksjon, temperaturer etc. Derfor er dette en viktig parameter under beregning av ulike scenarier De teoretiske beregningsmetodene som blir brukt for å finne avdampningsraten, tilnærmer brannarealet til en sirkel og tar dermed ikke hensyn til brannarealets utforming. Formål Hva skjer med avdampningsraten til en væskebrann når lengde/bredde forholdet endres? Det er gjort forsøk ved å brenne heptan i tre brannkar med ulikt lengde/forhold hvor massetapet blir logget av ei vekt. Resultatene er diskutert opp mot teoretiske beregninger samt simuleringer gjort i en CFD modell.

Tidligere studier

Litt teori Ved teoretisk beregning av de ulike brannkarene har vi brukt følgende ligning for avdampningsraten. Her er den begrensende massefluksen for heptan 0,101. Når man har en diameter på over fem meter, ser vi at linja flater ut og vi får en massefluks 0,101. k og beta har med stråling ned i brenselet å gjøre. Denne ligningen brukes som regel bare på branner med diameter over 0,2 meter.

Forsøkene Det ble gjennomført forsøk i tre kar med samme areal, men ulikt lengde-bredde forhold. Kar 1: 0,8m*0,8m (1:1) Kar 2: 1,13m*0,575m (2:1) Kar 3: 1,6m*0,4m (4:1)

Resultater Kar 1 For å gjøre målingene mest mulig oversiktlige ble de fremstilt som grafer i punktdiagrammet. De tre forsøkene for hvert av karene ble plottet i samme diagram, det ble så plottet en middelverdi for å fremstille resultatene best mulig.

Sammenligning mellom de tre karene Deretter ble de tre middelverdiene plottet i samme diagram for å kunne se eventuelle forskjeller. Av figuren kan det virke noe uklart om massefluksen har rukket å stabilisere seg, men vi antar at den har nådd en ”stabil fase” som vi ser her. Her kan vi se massefluksen til Kar 1, Kar 3 og Kar 2.

Følgende ca. verdier for avdampningsraten er avlest for de tre karene: Ut fra grafene kan vi lese av verdier for avdampningsraten i den ”stabile” fasen. Følgende ca. verdier for avdampningsraten er avlest for de tre karene: Kar 1: 0,067 kg/s m^2 Kar 2: 0,057 kg/s m^2 Kar 3: 0,062 kg/s m^2 Dette er ca verdier lest av direkte fra grafen. Ut ifra grafen kan vi lese av avdampningsraten. Vi fikk følgene verdier når vi leste direkte av grafen.

Beregningsresultat Under beregning av avdampningsraten får man bare ut en verdi siden arealet er likt for de tre karene. Denne verdien ble beregnet til 0,06358kg/s m^2 Når det gjelder temperaturen 0,9m over væsken ble den beregnet til å være ca. 873ºC Flammehøyden ble beregnet til å være ca. 3,15m Ved beregning av avdampningsraten fikk vi en verdi på 0,06358kg/s m2. Vi fikk en temperatur verdi på 873 grader celsius og en flammehøyde på 3,15 meter.

Resultat CFD-moddellering Karene som er moddellert hadde følgende utforming: 4m*2m kvadratisk: 4m*4m kvadratisk: 8m*4m kvadratisk: 16m*4m kvadratisk: Simuleringen gav følgende resultater:

Diskusjon Flammehøyde Avdampningsrate Hvordan kan forskjellene forklares? Hvordan kan forskjellen forklares? Det kvadratiske karet hadde som sagt den høyeste massefluksen Dette kommer mest sannsynlig av at det er dette karet som har en form nærmest en sirkelform. Det gjør at flammen samler seg og strålingen fra flammen tilbake på væskeflaten er høy over hele karet. Kar 2 som hadde et lengde bredde forhold på 2:1 hadde den laveste massefluksen. Dette kan forklares med at plumen samler seg rundt sentrum på karet, noe som gjør at det blir mindre stråling på væskeoverflaten nær ytterkantene. Dette gjør da at mindre væske fordamper og antenner. Kar 3 med et lengde/bredde forhold på 4:1 ligger midt i mellom massefluksen til kar 1 og kar 2. Grunnen til dette er mest sannsynlig at flammen delte seg i to. Dette medførte at strålingen fra flammen og tilbake på væskeoverflaten ble mer fordelt utover væskeflaten. Karet ble på en måte delt på midten i to separate kar med hver sin brannplum. Noe som gir en høyere stråling tilbake på hele væskeoverflaten i motsetning til hva det ville blitt dersom plumene var samlet på midten av karet. Det kan tenkes at en splitting allerede ved et lengde bredde forhold på 4:1 er noe tidlig. Grunnen til at dette ble oppservert i forsøkene kan være en kombinasjon av at karet var forholdsvis smalt samtidig som det var litt trekk i lufta. Den forholdsvis smale brannplumen vil kanskje dele seg lettere enn om vi hadde brukt samme kar som vi brukte til simuleringen i CFD modellen.

Feilkilder Termoelementer Vekt Temperatur i væske og kar Mur av lettbetong Vind

Konklusjon Avdampningsraten avtar ved økende lengde-bredde forhold. Avdampningsraten stiger når brannplumen splittes. Teoretisk beregningsmetode tar ikke høyde for endringene forsøkene antyder. CFD modelleringen støtter opp om konklusjonen. Ut ifra måle resultatene fra forsøkene kan det konkluderes med at det oppstår en nedgang i avdampningsraten til en væskebrann når brannarealet gjøres lenger og smalere. Forsøksresultatene indikerer at denne tendensen fortsetter helt til lengde/bredde forholdet er så betydelig at brannplumen deler seg i flere plumer. Det oppsto en splitting av brannplumen med et lengde/bredde forhold på 4:1, men dette kan ha sammenheng med en kombinasjon av ulike faktorer som er kommentert tidligere. Det er likevel tydelig at det oppstår en økning i avdampningsrate i det øyeblikk plumen splittes. Dette kommer som et resultat av at en større del av væskearealet blir involvert i brannen og påvirket av strålingen fra flammene.Dette er også grunnen til at det kvadratiske karet som er nærmest en sirkelform, har den høyeste avdampningsraten. Når det gjelder den teoretiske beregningsmetoden for avdampningsraten som tilnærmer brannarealet til en sirkel, fanger den ikke opp de endringene som denne rapporten påpeker.Forskjellene mellom de ulike karene som er studert her er imidlertid ikke store, men under større branner er det usikkert hvor store forskjeller det er snakk om. CFD modelleringene som er benyttet kan brukes til å støtte opp om konklusjonen som sier at fordampningsraten avtar gradvis etter som lengde/bredde forholdet blir større.Det oppstod ikke noen splitting av brannplumen under modelleringen, noe som kan tilsi at det er svakheter med modelleringsprogrammet. Dette kan eventuelt forklares med at væskebrannene som ble simulert var betydelig større enn de som ble gjennomført i de praktiske forsøkene.