Modeling the evaporation from a thin liquid surface beneath a turbulent boundary layer

Abstract

The release and dispersion of toxic chemicals can cause a threat to military personnel and the population at large. In order to develop and implement appropriate protective capabilities and plan mitigating measures, modeling, simulation and assessments of hypothetical scenarios and historical incidents is a valuable and widely used methodology. This requires reliable CBRN modeling and simulation capabilities to model how toxic chemicals are released and dispersed in air. A physical and mathematical model of an event involving the dispersion of chemicals can roughly be divided into three parts: source modeling, transport modeling and effect modeling. This study focuses on source modeling. As part of the recent NATO-study SAS-061, research groups in the U.S., The Netherlands and FFI assessed the same scenario which involved release of the chemical warfare agent (CWA) sarin. The groups used an evaporation rate for sarin which varied by a factor of 10. This leads to correspondingly large variations of the calculations of the consequences and the extent of damage. This introduces an unacceptable uncertainty in consequence assessments and clearly demonstrates the need to improve our fundamental knowledge of evaporation processes. The current work is a continuation of work done previously at FFI. Odd Busmundrud developed a model for evaporation from surfaces and droplets. His model is in essence based on molecular diffusion through an assumed wind-free diffusion layer above the surface, and only indirectly takes account for fluid dynamical aspects of the evaporation process. The present study considers the evaporation of a non-buoyant contaminant from a thin liquid surface beneath a turbulent boundary layer. The analysis is based on near-surface asymptotics of turbulence velocity and scalar fluctuations. The objective of the study is to derive and verify an algebraic evaporation model sensitized to boundary layer turbulence. The dependence on the friction velocity is shown to be naturally included in the analysis and the model does not depend on any a priori assumption of the existence of an equilibrium logarithmic boundary layer region. The near-surface asymptotics are fairly universal and thus valid for a wide range of external flow conditions. The model is validated using recent experimental wind tunnel data. This work will be continued by including the model in CFD software. It is crucial to have access to good quality experimental data. In order to isolate the dependence on different aspects on the evaporation process (thermal effects, turbulence, the size of the liquid surface etc), measurements where the different parameters are systematically varied are necessary. It would be of great value to perform such measurements ourselves. Especially for toxic chemicals and chemical warfare agents (CWA) such data are hard to get.

Utslipp og spredning av giftige kjemikalier kan utgjøre en trussel mot militært personell og befolkningen i allmennhet. Modellering, simulering og analyse av hypotetiske scenarier og historiske hendelser en svært verdifull og mye brukt metode for å utvikle og implementere passende beskyttelseskapabiliteter og planlegge beskyttelses- og mottiltak. Dette krever at prosesser der giftige kjemikalier slippes ut og spres i luft kan modelleres og simuleres på en troverdig måte. En fysisk og matematisk modellering av en spredningshendelse kan grovt sett deles inn i tre deler: kildemodellering, transportmodellering og effektmodellering. Denne studien tar fokuserer på kildemodellering. I en NATO-studie nylig gjennomført, SAS-061, analyserte forskningsgrupper i USA, Nederland og FFI hver for seg et scenario som involverte spredning av det kjemiske trusselstoffet sarin. De ulike gruppene benyttet fordampingsrater som varierte med en faktor 10. Dette medfører tilsvarende store variasjoner i beregninger av konsekvenser og skadeomfang. Dette gir en uakseptabel usikkerhet i konsekvensvurderingene og demonstrerer videre nødvendigheten av å forbedre vår fundamentale kunnskap om fordamingsprossesser. Dette arbeidet er en videreføring av tidligere arbeid på FFI. Odd Busmundrud utviklet en modell for fordamping fra dråper og overflater. Hans modell baserer seg i hovedsak på molekylær diffusjon gjennom et tenkt stillestående luftlag over overflaten, og tar kun indirekte hensyn til strømningstekniske effekter på fordampningsprosessen. Studien som presenteres i denne rapporten tar for seg fordampning av en nøytral kontaminant fra en tynn væskeoverflate under et turbulent grensesjikt. Analysen er basert på det turbulente hastighetsfeltet og fluktuasjoner nær en overflate. Målet med studien er å utvikle og verifisere en algebraisk fordampningsmodell som er følsom for grensesjiktsturbulens. Avhengigheten av friksjonshastigheten vises å være naturlig inkludert i analysen, og modellen avhenger ikke av noen a priori antagelser om eksistensen av en logaritmisk grensesjiktetsregion i likevekt. Det turbulente hastighetsfeltet og fluktuasjonene nær vegg er forholdsvis universelle og dermed gyldig for et stort spekter av eksterne strømningsforhold. Modellen er validert ved bruk av eksperimentelle data fra vindtunneleksperimenter. Arbeidet vil ble videreført ved å inkludere modellen i CFD-software. Det er svært viktig å ha tilgang til gode eksperimentelle data. For å undersøke påvirkningen av ulike aspekter på fordampningen (termiske effekter, turbulens, væskeoverflatens størrelse osv), er det nødvendig med gode målinger der de ulike parametrene varieres på en systematisk måte. Det vil være av stor nytte å selv kunne foreta slike målinger. Spesielt for skarpe stridsmidler er det vanskelig å få tak i gode eksperimentelle data.