Softwaretools zur Simulation der Ausbreitung gasförmiger Gefahrstoffe in industrieller Umgebung

Betreiber von Anlagen, die mit Gefahrstoffen umgehen, müssen nicht nur im Rahmen von Genehmigungsverfahren Angaben zu den Auswirkungen störungsbedingter Stofffreisetzungen machen. Bisher zur Bestimmung von angemessenen Sicherheitsabständen und zur Beurteilung von Gefährdungen verwendete Ausbreitungsmodelle wurden als nicht mehr dem Stand der Technik entsprechend eingestuft und die relevanten VDI-Richtlinien 3783, Blatt 1 und Blatt 2 sollen überarbeitet werden. Es ist vorgesehen, die Gauß'sche Ausbreitungsmodellierung durch ein zeitgemäßeres Lagrange'sches Ausbreitungsmodell zu ersetzen. Die für das Ausbreitungsmodell erforderlichen Windfelder können mit einfachen diagnostischen Windfeldmodellen oder geeigneten prognostischen Strömungsmodellen bereitgestellt werden. Allerdings sind einfache diagnostische Windfeldmodelle meist nicht in der Lage, die komplexen Strömungsverhältnisse in Industrieanlagen ausreichend realistisch abzubilden und nicht hinreichend für derartige Anwendungen validiert. In universeller einsetzbaren prognostischen Strömungsmodellen (CFD-Modelle) sind die problemspezifischen Ausbreitungsrandbedingungen im bodennahen Bereich der atmosphärischen Windgrenzschicht oft nicht angemessen umsetzbar. Eine sinnvolle Alternative stellen verfügbare, lizenzkostenfreie OpenSource-Programmpakete wie zum Beispiel OpenFOAM dar. Diese beinhalten in der Regel mehrere Löser zur Strömungsberechnung und eine Vielzahl von Turbulenzmodellen. Es lassen sich an konkrete Problemstellungen angepasste Strömungslöser realisieren, die prinzipiell auch transiente Einströmrandbedingungen in der durch Hindernisse gestörten atmosphärischen Windgrenzschicht abbilden können.

In einem vom Bundesministerium für Wirtschaft im Rahmen des Forschungsnetzwerks Mittelstand geförderten Projekt soll das Potenzial der OpenSource-Programmpakete für praktische Störfallauswirkungsbetrachtungen erschlossen und eine Toolbox zur Simulation der Ausbreitung gasförmiger Gefahrstoffe in industrieller Umgebung entwickelt und evaluiert werden. Es werden Windfeldgeneratoren auf Basis von RANS und LES entwickelt. Für typische, mit den Modelltypen im Zusammenhang stehende Probleme bei der Simulation bodennaher Windfelder werden praxistaugliche Lösungen entwickelt. Für die Implementierung eines RANS-basierten Windfeldgenerators erfolgte beispielsweise die Anpassung der Randbedingungen im Einströmrand und der verwendeten Wandfunktionen an das verwendete Turbulenzmodell. Für das entwickelte LES-basierte Modell wurden u.a. verschiedene Verfahren zur Simulation bzw. Synthese turbulenter naturähnlicher Einströmrandbedingungen und verschiedene Turbulenzparametrisierungen implementiert und getestet. Einen weiteren Arbeitsschwerpunkt bildet die Bereitstellung qualifizierter, modell- und anwendungsspezifischer Referenzdatensätze zur Evaluierung der entwickelten Modelle und Simulationskonzepte. Hierfür werden systematische Modellversuche zur Ausbreitung dichteneutraler und schwerer Gase in einem Grenzschichtwindkanal durchgeführt.

Der Beitrag stellt den aktuellen Stand der zweijährigen Projekt- und Entwicklungsarbeit vor, dokumentiert beispielhaft die Güte der mit den entwickelten Softwaretools erzielbaren Simulationsergebnisse und gibt einen Überblick über die im Projekt generierten Referenzdatensätze für eine angemessene Modellevaluierung.