Konsequenzenanalyse im Nahbereich eines Transportunfalls

Abstract

Bei einem Transportunfall mit Freisetzung radioaktiver Stoffe ist die Ausbreitungsdynamik im Nahfeld (d. h. bis zu wenige 100 m Entfernung zur Quelle) unter Windeinfluss von hoher Bedeutung. So können z. B. Personen aufgrund von Gebäuden oder topographischer Gegebenheiten im Strömungsfeld und den daraus resultierenden Strömungsverhältnissen unterschiedlich betroffen sein. Auch die Kenntnis der effektiven Quellhöhe der radioaktiven Stoffe infolge einer thermischen Einwirkung bei einem Brand ist wichtig, da sich die effektive Quellhöhe wesentlich auf die weiträumige Ausbreitung auswirkt. Gängige meteorologische Ausbreitungsmodelle erfassen diesen Prozess in der Regel nur über empirische Parameter. Zudem haben diese Modelle Beschränkungen, die mikroskaligen Strömungen entlang von komplexen Strukturen zufriedenstellend zu berechnen. Vor diesem Hintergrund wurde die Einsatzmöglichkeit eines räumlich hochauflösenden CFD-Simulationsprogrammes zur mikroskaligen Bestimmung von Strömungsverhältnissen im Nahfeld untersucht. Für die Simulationen wurde OpenFOAM (Open Source Field Operation and Manipulation) ausgewählt. Für die Modellierung der Ausbreitung von freigesetzten Tracern wurde zunächst der Euler’sche Ansatz gewählt, bei dem das Fluidverhalten (hier Luftströmungen) in einem bestimmten Kontrollvolumen beobachtet wird. Beim alternativen Lagrange’schen Ansatz können dagegen einzelne Partikel im Raum verfolgt werden, was eine aufwändigere Modellerstellung und Datenauswertung notwendig macht. Für die Simulation der Turbulenz, die zu einer Durchmischung eines Schadstoffes führt, wurde der RANS-Ansatz (Reynolds Averaged Navier Stokes) und LES Ansatz (Large Eddy Simulation) getestet. RANS berechnet zeitlich gemittelte Strömungsgeschwindigkeiten, die zur Untersuchungen mikroskaliger Strömungen eher weniger geeignet sind. Mit LES können Turbulenzen deutlich realistischer berechnet werden. Hier werden große Wirbelstrukturen direkt berechnet und kleine Strukturen über ein Modell abgebildet. Zur Evaluierung der Strömungssimulationen mit OpenFOAM wurden zudem Validierungsrechnungen anhand verschiedener Testfälle der VDI-Richtlinie 3783 durchgeführt. OpenFOAM konnte in diesem Vorhaben nicht erfolgreich validiert werden. Andere Vorhaben zeigten jedoch, dass eine erfolgreiche Validierung anhand der Richtlinie möglich ist. Es sind somit weiterführende Arbeiten zur Optimierung des verwendeten Simulationsmodells nötig. In the event of a transport accident with the release of radioactive substances, the dynamics of pollutant dispersion in the near field (i.e. up to a few 100 m from the source) under the influence of wind, is of great importance. Buildings or topography can influence the flow field differently and therefore people can be affected differently by the pollutants. It is also important to know the effective source height of the radioactive substances as a result of thermal effects in the event of a fire, since the effective source height has a significant effect on the large-scale spread of the pollutants. Common meteorological dispersion models usually only capture this process using empirical parameters. In addition, these models have limitations to calculate the microscale flows along complex structures satisfactorily. Because of this problem, the possibility of using a spatially high-resolution CFD simulation program for the microscale determination of flow conditions in the near field was examined. OpenFOAM (Open Source Field Operation and Manipulation) was selected for the simulations. Euler's approach was initially chosen to model the spread of released tracers, in which the fluid behavior (air flow) is observed in a certain control volume. For the alternative Lagrange’s approach, individual particles can be tracked in space, which makes more complex model creation and data analysis necessary. The RANS approach (Reynolds Averaged Navier Stokes) and LES approach (Large Eddy Simulation) were tested for the simulation of the turbulence that leads to the mixing of a pollutant. RANS calculates time-averaged flow velocities, which are less suitable for investigating microscale flows. Turbulence can be calculated much more realistically with LES because large vortex structures which contain most of the mixing energy are calculated directly and only small structures are calculated using a model. To evaluate the flow simulations with OpenFOAM, validation calculations were also carried out based on various test cases from the VDI guideline 3783. OpenFOAM could not be successfully validated in this project. However, other projects showed that successful validation based on the guideline is possible. Further work is therefore necessary to optimize the simulation model used. Finally, an interface was created between Open-FOAM and the SBG module of the GRS to calculate dose values.