Indoor dispersion of sarin by evaporation from liquid pools

Abstract

The threat of terrorist actions involving toxic chemicals is present in today’s society, and there is therefore a need for appropriate emergency response planning. An accurate description of the release and dispersion of toxic substances, and the resulting health effects for exposed individuals, is an important element for conducting emergency planning. Norway and the Netherlands started in 2015 a collaborative effort named “The Strategic Mutual Assistance in Research & Technology (SMART) on CBRN Protection”. There are several projects within this collaboration. One of them is “CBRN Modelling & Simulation”, which aims to combine the CBRN modelling and simulation capabilities in the two nations into an improved capability for mutual benefit. This report describes work performed within the “SMART-CBRN Modelling & Simulation” project. A terror scenario with dispersion of sarin inside a convention centre is investigated and described in this report. The dispersion of sarin vapour through the convention centre is simulated with the use of two different computational fluid dynamics approaches, large eddy simulations and Reynoldsaveraged Navier-Stokes simulations, which have different degrees of accuracy and computational effort. Evaporation from liquid pools at two different locations are calculated separately with an analytical model which depends on the simulated air flow field. From the resulting concentration fields, the impact on humans present in the convention centre is investigated based on the onset of various symptoms. Our studies show that the evaporation rate depends on the location of the liquid pools. Near the pools, mild impacts on humans like impaired vision set in within a few minutes, while severe impacts or death do not occur until more than half an hour after the evaporation starts. The simulations show that the vapour is not transported very efficiently away from the source. For pool 1, which is in a semi-confined room, hazardous levels of vapour in the neighbouring rooms are not reached until 10–30 minutes after start of the release. For pool 2, which is in the hallway outside the rooms, very little vapour enters the rooms. The presence and movement of people are disregarded in the simulations, as these are computationally difficut to include. In reality this would lead to a more efficient mixing of vapour and air and provide a different dispersion pattern of the vapour. There are also evacuation gates from the halls to the outside, and which remain closed in the simulations; the air velocity field will be affected if these gates are opened. Large eddy simulations provide larger fluctuations in the velocity fields, and will likely give a more realistic simulation of the vapour transport through the centre, than the Reynolds-averaged Navier-Stokes simulations. The results from the simulations can be used as reference to evaluate the accuracy of other simpler and faster models, for instance the indoor dispersion models G-COMIS or CONTAM, as well as for conducting exercises and for emergency planning. A useful continuation of the work at hand would be to conduct experiments in order to validate the computational models.

Terroraksjoner med giftige kjemikalier er en trussel i dagens samfunn, og det er derfor svært viktig å ha god beredskap for håndtering og begrensning av skadene fra slike hendelser. En nøyaktig beskrivelse av utslipp og spredning av gifige kjemikalier, samt av mulige helseeffekter for individer som er utsatt for giften, er et viktig hjelpemiddel for en god beredskapsplanlegging. Norge og Nederland inngikk i 2015 en samarbeidsavtale, “The Strategic Mutual Assistance in Research & Technology (SMART) on CBRN Protection”. Ett av flere prosjekter i dette samarbeidet er “CBRN Modelling & Simulation”, der målet er å kombinere modellerings og simulerings-kapabilitetene i Norge og Nederland til en felles kapabilitet til fordel for begge nasjoner. Denne rapporten beskriver arbeid som inngår i “SMART-CBRN Modelling & Simulation”-prosjektet. Et scenario der nervegassen sarin blir spredt inne i en messehall er studert ved bruk av avanserte numeriske beregninger. To ulike modelleringsrutiner er brukt, med ulik grad av nøyaktighet og ulike behov til beregningsressurser og regnetid: large eddy simulations og Reynolds-averaged NavierStokes-simuleringer. Fordamping fra to små dammer på golvet blir beregnet med en analytisk modell, som avhenger av den simulerte luftstrømmen. Fordamping fra de to dammene blir simulert hver for seg, og mulige virkninger på mennesker tilstede i hallen blir anslått fra de resulterende konsentrasjonene av gass i messehallen. Fordampingshastigheten avhenger sterkt av hvor væskedammen er plassert. Nær dammene kan milde helseeffekter som synshemmelser opptre innen få minutter, mens mer alvorlige helseeffekter ikke vil opptre før over en halv time etter at fordampingen har startet. Gassen blir ikke veldig effektivt transportert vekk i simuleringene. For simuleringene med fordamping fra dam 1, som ligger inne i et delvis lukket rom, tar det 10–30 minutter før farlige konsentrasjoner oppnås i naborommene. For simuleringene med fordamping fra dam 2, som ligger i gangen utenfor rommene, blir nokså lite gass transportert inn i rommene. I simuleringene er det sett bort fra publikums tilstedeværelse og bevegelse i hallen, men i en faktisk situasjon kan de påvirke spredningen av gass betydelig. Det er også noen porter direkte ut fra hallene, som er stengt i simuleringene. Dersom disse portene er åpne, vil spredningen av gass inne i hallene være mer effektiv enn simuleringene viser. Large eddy simuleringer gir hastighetsfelt med større fluktuasjoner enn Reynolds-averaged Navier-Stokes-metoden, og gir trolig en mer realistisk simulering av gasstransporten i messehallen. Resultatene fra simuleringene kan brukes som referansedata for simuleringer med andre modeller, for eksempel de to innendørs spredningsmodellene G-COMIS og CONTAM. De kan også benyttes for å utføre beredskapsøvelser og for planlegging av prosedyrer for håndtering av slike hendelser. Et nyttig steg videre i arbeidet med innendørs spredning, vil være å utføre eksperimenter, for å få referansedata som kan validere modellene.