Utveckling av ett beräkningsverktyg avseende dammexplosioner

De tillgängliga standarderna för skydd mot dammexplosioner via ventilationssystem är baserad på konservativa empiriska modeller och ignorerar komplicerad geometri. Detta kan leda till ett misslyckande i uppskattning av konsekvenser av dammexplosioner och alltså risker för dödsfall på arbetsplatser. Därför finns det ett behov av ett tillförlitligt verktyg för att konstruera skydd mot dammexplosioner i processanläggningar.

Syftet med projektet är att

• utveckla välvaliderade numeriska modeller som kan ta hänsyn till de viktigaste förbränningsfenomenen, såsom flamexpansion, turbulensgenerering i flamman och flammacceleration i dammexplosioner,
• utveckla ett numeriskt verktyg baserad på en öppen källkod,
• beräkna verkliga dammexplosionsscenarier i samråd med representanter för berörda industrier.

Projektresultatet är mycket viktigt för svensk industri då det kan fylla kunskapsluckorna när det gäller förståelse för dammexplosioner, att uppskatta konsekvenser av dammexplosioner, ge rekommendationer för bättre konstruktion av byggnader och relevanta säkerhetssystem, t.ex. tryckavlastnings utrusningar, och därmed ge personalen en säkrare arbetsmiljö.

Projektrapporter

Projekt delprapport 1

Projekt delprapport 2

Projekt slutrapport

Publikationer

Huang, C., Lipatnikov, A.N., Nessvi, K., 2020. Unsteady 3-D RANS simulations of dust explosion in a fan stirred explosion vessel using an open source code. J. Loss Prev. Process Ind. 67, 104237.

Huang, C., Bloching, M., Lipatnikov, A.N., (2022). A vented corn starch dust explosion in an 11.5 m3 vessel: Experimental and numerical study. J. Loss Prev. Process Ind. 75, 104707.

Populärvetenskaplig artikel: Forskning om dammexplosioner resulterade i modell med öppen källkod

Dammexplosioner är ett konstant hot mot industrier globalt, framför allt i länder och regioner med mycket industriell produktion. De inrapporterade dammexplosionsincidenterna mellan 2016 och 2020 i USA ligger på en nästan konstant nivå på runt 30 incidenter per år enligt Combustible Dust Incident Report 2020. Tyvärr är situationen snarlikt i Sverige, där dammexplosionsincidenter förekommer återkommande i en rad olika industrier. Dessutom är mörkertalet betydande eftersom enbart en bråkdel av alla inträffade incidenter rapporteras. Därmed är dammexplosioner ett stort hot mot den fysiska arbetsmiljön för anställda inom processindustrier.

I detta sammanhang, beviljades RISE och Chalmers ett treårigt forskningsprojekt av AFA Försäkring. Projektet syftar till att utveckla en fysik-baserad, välverifierad, välvaliderad, och öppen källkod för att studera konsekvenser av en dammexplosion. ”Det har varit en lärorik och spännande resa under tre år!” berättade Chen Huang, forskare på RISE. Projektet är ett bra exempel på att överföra fundamental forskningskunskap till praktiska tillämningar. Dammexplosionsmodellen kommer från ett långtids forskningsarbete av Andrei Lipatnikov, forskningsprofessor på Chalmers, och hans kollegor. Modellen reflekterar nyckelfysiken i en dammexplosion: Flamhastigheten ökar med ökande turbulensnivå och flamhastigheten ökar med ökande flamstorlek. Samtidigt implementerades dammexplosionsmodellen i den öppna källkoden/verktygslådan OpenFOAM inom ramen av Computational Fluid Dynamics. Projektresultatet är en öppen källkod FSCDustFoam baserad på OpenFOAM. FSCDustFoam har blivit systematiskt verifierad, validerad och används för storskaliga industriella dammexplosioner. FSC är förkortning av Flame Speed Closure som är namnet till förbränningsmodellen. Projektet fått värdefulla storskaliga experimentella dammexplosionsdata från IND EX^® (Intercontinental Association of Experts for Industrial Explosion Protection). Datan har använts för att kalibrera modellen. En projektreferensgrupp bestående av experter, forskare, konsulter, energibolag och pelletstillverkare har stöttat projektet under en treårstid med värdefulla industriella erfarenheter. Projektgruppen uppmärksammar tacksamt deras bidrag. Chen svarar nedan på några av de vanliga frågorna.

Vad kan vi använda FSCDustFoam till?

Modellen och koden är särskilt användbar i kombination med tillförlitliga experimentella data. Det numeriska verktyget kan användas för att förstå dammexplosionsprocesser, för att skapa ett effektivt försöksprogram, samt för att applicera testresultat i ett bredare explosionsscenario. Dessutom är det numeriska verktyget särskilt användbart där standarder för explosionsskydd är inte giltiga, t.ex. vid explosioner i komplexa geometrier.

Vem kan använda den öppna källkoden FSCDustFoam?

Det korta svaret är alla för att det är öppen källkod. Samtidigt finns det två stora grupper som är mest troliga att använda koden. Den första gruppen är doktorander och forskare inom områden som förbränning, explosioner, och brand. Verktyget har inget användargränssnitt eller någon användarguide, vilket gör att inlärningskurvan är betydligt brantare jämfört med en kommersiell kod med användargränssnitt och dedikerad teknisk support. Den andra gruppen är riskkonsulter som har erfarenhet av att använda den öppna källkoden OpenFOAM.

Vad är de stora fördelarna jämfört med befintliga beräkningsprogram?

En av de största fördelarna är att det är öppen källkod, vilken betyder att man har stor frihet att använda, modifiera, och distribuera koden. Vägen till ett prediktivt numeriskt verktyg för dammexplosioner är ett enormt projekt, vilket inte kan lösas i en enda organisation. Den nuvarande FSCDustFoam är ett steg mot ett prediktivt numeriskt verktyg för att möjliggöra samarbetet inom hela områden. Å andra sidan, kan det ta mer persontid för att utföra projekt med FSCDustFoam jämfört med ett kommersiellt program eftersom det saknas användargränssnitt, användarguide och support.

Var kan vi ladda ner FSCDustFoam?

Källkoden, som innehåller lösare, biblioteket och exempel, är tillgängliga via Zenodo platform som delar öppen forskning (https://doi.org/10.5281/zenodo.5795161).