LES of Vertical Turbulent Wall Fires: Understanding Physics and Reducing Fire Losses

Slide1LES of VerticalTurbulent Wall Fires Ning Ren 1 , Yi Wang 1 , Sebastien Vilfayeau 2 , Arnaud Trouvé 2 1. FM Global, Research, Norwood, MA, USA 2. University of Maryland, College Park, MD, USA

Slide2Background Industrial-scale fire tests – Reduce fire loses – Expensive – Limited configurations  Fire modeling – Understand physics – Reduce large scale tests  Challenges – Multi-physics – Multi-phases Slide 2 6 m

Slide3Slide 3Background

Slide4Tools – FireFOAM Open-source fire model (FM Global) – www.fmglobal.com/modeling (2008-Present)  Based on OpenFOAM – A general-purpose CFD toolbox (OpenCFD, UK)  Main features – Object-oriented C++ environment – Advanced meshing capabilities – Massively parallel capability (MPI-based) – Advanced physical models: • turbulent combustion, radiation • pyrolysis, two phase flow, suppression, etc. Slide 4

Slide5Slide 5Background •  Multi-physics interaction •  Difficult to instrument •  Vertical wall fire is a canonical problem •  Industrial-scale Fire Test

Slide6Background Experiments – Orloff, L., et.al (1974) PMMA – Ahmad, T., et.al (1979) – Markstein, G.H., de Ris, J. (1990) – de Ris, J., et.al (1999)  Modeling – Tamanini, F. (RANS,1975) PMMA – Kennedy, L.A., et.al (RANS,1976) – Wang, Y.H., et.al (RANS, 1996) – Wang, Y.H., et.al (FDS, 2002) – Xin, Y. (FDS, 2008) Slide 6 Orloff, L, et.al (PMMA)  Challenges – High grid requirement – Buoyancy driven – Mass transfer – Reacting boundary flow

Slide7Experiments – Prescribed flow rates – Propylene – Methane – Ethane – Ethylene  Water cooled vertical wall  Diagnostics – Temperature – Radiance – Heat flux – Soot depth Slide 7 (J. de Ris et al., FM, 1999) (J. de Ris et al., Proc. 7 th  IAFSS, 2002)

Slide8Grid requirement Momentum driven flow (Piomelli et al., 2002)  Natural convection (Holling et al., 2005)  Wall Fires – 10~20 cells across the flame • 3mm to start Slide 8 2 cm

Slide9Mesh and B.C. Base line – 3 mm grid – ΔY ~ 3 mm, ΔX ~ 7.5 mm, ΔZ ~ 7.7 mm (ΔX :ΔY :ΔZ ~ 2.5:1:2.5) – 0.8 M cells, CFL = 0.5 – 1.5, 2, 3, 5, 10, 15 and 20 mm  B.C. – Cyclic (periodic) in span-wise – Entrainment BC at the side – Fixed temperature, T = 75 ˚C – Propylene • 8.8, 12.7, 17.1, 22.4 g/m 2 s Slide 9

Slide10Turbulence ModelSlide 10 Zero for pure shear flow O(y 3 ) near wall scaling Two deficiencies: 1. Laminar region with pure shear 2. Wrong scaling at near wall region       O(1) instead of O(y 3 ) K-equation model WALE Model No need to calculate  k sgs Wall adaptive local eddy viscosity model

Slide11Wall-Adaptive Local Eddy ViscositySlide 11 K-Eqn Model WALE Model

Slide12Combustion Model Eddy Dissipation Concept (EDC model) – Mixing controlled reaction Slide 12 K-equation model WALE model

Slide13Slide 13Combustion Model  Eddy Dissipation Concept (EDC model) – Mixing controlled reaction Turbulence reaction rate Diffusion reaction rate

Slide14Radiation Model Fixed radiant fraction  Finite volume implementation of Discrete Ordinate Method (fvDOM)  Optically thin assumption  Soot/gas blockage ( χ rad  is reduced by 25%) Slide 14  Fuel  Methane CH 4  Ethane C 2 H 6 Ethylene  C 2 H 4 Propylene  C 3 H 6  Wall Fire (de Ris measurement)  15% 17% 24% 32%   Simulation  (account for   blockage)   12%   13%   18% 25% 

Slide15Slide 15Flame topology K K m/s m/s m/s m/s span-wise wall-normal stream-wise

Slide16Slide 16Flame topology Wallace, J.M., 1985 kg/m/s kg/m/s Q , wall-normal view

Slide17Slide 17Heat flux – (de Ris Model) Blockage Side-wall Flame radiation temperature Flame emissivity Soot volume fraction Soot depth Heat transfer coefficient Fuel blowing effect

Slide18Slide 18Grid Convergence (      =17.1 g/m 2 s, C 3 H 6 ) Fully Turbulent Fully Turbulent Fully Turbulent

Slide19Slide 19Heat Flux – Flow Rates ( Δ =3 mm, C 3 H 6 )

Slide20Slide 20Heat Flux – Fuels ( Δ =3 mm)

Slide21Slide 21Convective Heat Flux: Blowing Effect Pyrolysis Zone Flaming Zone Pyrolysis Zone Flaming Zone 17.1g/m 2 s

Slide22Slide 22Temperature  (C 3 H 6 )

Slide23Summary and future work Summary – Near wall turbulence and combustion models are important – Good agreements are obtained for wall-resolved modeling – 10~20 cells across the flame are needed – Convective heat flux is important in the downstream flaming zone  Future work – Test soot model for radiation – Improve turbulence and combustion models for coarse-grained modeling – Wall function study Slide 23

Slide24Ongoing work – wall function Log-Law  Blowing effect (Stevenson, 1963) Slide 24

Slide25Slide 25Ongoing work – wall function ( Δ =15 mm) (17.1 g/m 2 s, C 3 H 6 )

Slide26Slide 26Ongoing work – wall function Fuel blowing effect ( Δ =15 mm)

Slide27Acknowledgement John de Ris  Funded by FM Global – Strategic research program on fire modeling Slide 27

Slide28Slide 28Temperature  (C 3 H 6 )

Slide29Slide 29Temperature – Elevation  (17.1 g/m 2 s, C 3 H 6 ) Inner layer Outer layer

Slide30Coarse grid Convective heat flux – Temperature gradient – Combustion Slide 30  Radiative heat flux – Combustion

Slide31Slide 31A temporary approach K-equation K-equation, WALE Minimize the influence of combustion Better turbulence & combustion model needed in future

Slide3232