Simple source description for dense gas releases

Abstract

CT-Analyst® is an operational dispersion prediction tool for urban environments, capable of producing very fast hazard predictions for releases of hazardous substances. A version of CTAnalyst has been developed for Oslo and is being used operationally. CT-Analyst is developed for gases with a density equal to that of air (neutral gases). Some hazardous substances, however, have densities larger than that of air (dense gases). Dense gases will have a somewhat different dispersion pattern than neutral gases. They tend to disperse closer to the ground and are to a lesser degree transported vertically, resulting in a flat plume that spreads out wide laterally, and can also be transported counter to the ambient wind direction. Far from the source, the dense gas will be diluted by infiltration of air and at some point behave like a neutral gas. We propose a simple method for taking dense gas effects into account with CT-Analyst: to increase the spatial dimensions of the source in CT-Analyst. The idea is that the increased spatial extent of the source will, to some degree, account for the lateral and upwind transport of the dense cloud. In order to determine the factor by which the default source size should be scaled to account for the dense gas effects, we have conducted a series of numerical simulations of instant releases of some commonly occurring dense gases, using high-fidelity large eddy simulations. We have then investigated the ratios of the size of the resulting plumes to the size of the instantaneous source, and used this to provide a rule-of-thumb: Increasing the source size of about a factor 5–6 could account for the effect the density of the gas has on the dispersion. In addition, we have conducted full-scale urban simulations of a neutral and a dense gas, using the same large eddy simulations methodology as for the instant release simulations, as well as CT-Analyst predictions with default and extended source sizes. The results indicate that increasing the source will to some degree indeed account for the large spatial extension of the plume after the release. However, the area covered by the dense plume is larger than indicated by the instantaneous simulations. The urban simulations indicate that an increase of the source by a factor of 5–10 might be more appropriate. The reason for this discrepancy could be influence by the buildings or the terrain in the full-scale simulation. Another reason could be the fact that the full-scale simulations have a continuous source for a duration of 15 minutes, instead of an instantaneous release.

CT-Analyst® er et operasjonelt verktøy for spredningsprediksjon i urbane miljøer. Det gir meget raske prediksjoner av fareområder etter utslipp av farlige stoffer, og en versjon av CT-Analyst er utviklet for Oslo og blir brukt operasjonelt. CT-Analyst er i utgangspunktet utviklet for å gi prediksjoner for spredning av nøytrale gasser, det vil si gasser med samme tetthet som luft. En del kjemikalier har imidlertid en tetthet som er høyere enn tettheten til luft (tunge gasser) og disse gassene kan ha et spredningsmønster som skiller seg fra nøytrale gasser. Tunge gasser transporteres oppover i mindre grad enn nøytrale gasser og holder seg i større grad langs bakken der den kan spres nokså uavhengig av den generelle vindretningen. En tung gass vil dermed typisk gi en gassky som er mindre utstrakt i vertikal retning og mer utstrakt i horisontal retning enn en nøytral gassky. Etter hvert som gassen transporteres vekk, vil den tynnes ut med luft og oppføre seg mer som en nøytral gass. Vi forslår en enkel metode for å ta hensyn til tunggasseffekter i CT-Analyst: å øke den romlige utstrekningen av kilden i horisontal retning. Tanken er at den økte utstrekningen i horisontalplanet gjør rede for den økte spredningen sidelengs og oppvinds ved tunggassutslipp, spesielt i urbane områder. Vi har gjennomført en serie numeriske simuleringer av utslipp av noen alminnelige tunge gasser, ved hjelp av såkalte LES-simuleringer ("large eddy simulations"), med formål å bestemme hvor mye den romlige utstrekningen bør økes for å ta hensyn til tunggasseffekter. Forholdet mellom størrelsen av den resulterende gasskyen og størrelsen på kilden er brukt til å gi en tommelfingerregel om at tunggasseffektene til en viss grad kan inkluderes ved å øke kildestørrelsen med en faktor 5–6. Dernest har vi gjennomført numeriske simuleringer av utslipp og spredning av en nøytral og en tung gass i et urbant område med den samme LES-metodologien. Vi har også gjennomført CT-Analyst-beregninger med kilde med standardstørrelse og med forstørret kilde. Resultatene herfra indikerer at å øke kildestørrelsen i CT-Analyst kan bidra til å ta hensyn til tunggasseffektene i nærområdet. Arealet som dekkes av den tunge gassen i disse tilfellene er imidlertid større enn det som ble indikert med øyeblikksutslippene. Resultatene fra fullskalasimuleringene indikerer at en økning av kildestørrelsen med en faktor på omlag 5–10 kan være passende. Årsaken til forskjellen kan dels være at bygningene og terrenget i fullskalasimuleringene har en innflytelse på spredningsmønsteret. En annen årsak kan være at fullskalasimuleringene er gjort med et kontinuerlig utslipp over 15 minutter i stedet for et øyeblikksutslipp.