MODELAGEM E SIMULAÇÃO DE VAZAMENTO DE HIDROGÊNIO ATRAVÉS DO ANSYS CFX - Relatório de IC

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCINCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

GRUPO DE PROCESSAMENTO DE ALTO DESEMPENHO EM MECNICA COMPUTACIONAL

Modelagem e Simulao de Vazamento de Hidrognio

utilizando o Software ANSYS CFX

Bolsista: Sandro Cordeiro So Marcos

Curso: Engenharia Qumica

Orientador: Paulo R. M. Lyra

Setembro 2011/ Setembro 2012

2

RESUMO

A anlise de prvia de vazamento de gases tem sido cada vez mais

importante nos processos industriais devido aos muitos riscos que surgem na

presena de produtos inflamveis, txicos, corrosivos, etc. Em particular,

produtos inflamveis tais como gs hidrognio, possuem um tratamento

especial e todos os cuidados para evitar exploses so necessrios, a fim de

minimizar os riscos tanto para os funcionrios quanto para a instalao predial

e produo.

Devido presena de produtos inflamveis muitas indstrias utilizam

ferramentas que possibilitam a anlise de riscos e suas possveis solues de

forma rpida e efetiva. O ANSYS CFX uma ferramenta muito utilizada para

esse fim. Juntamente com o FLUENT, esse software amplamente utilizado

para fins de simulao de determinao de riscos e otimizao de processos

industriais. Ele trabalha com mtodos baseados em Volumes Finitos, do ingls,

Finite Volume Method (FVM), que possuem caractersticas especiais para a

discretizao de problemas na mecnica dos fluidos. A preveno de acidentes

utilizando o ANSYS CFX muito importante e eficiente, devido qualidade de

suas solues numricas quando trabalhadas com devida cautela. Torna-se

necessrio saber as condies ambientais e estruturais do domnio para que a

etapa de modelagem seja coerente com a realidade e os resultados sejam os

mais prximos do real para uma concluso eficiente do problema em questo.

Nesse trabalho tem-se como objetivo simular um vazamento de

hidrognio em regies fechadas utilizando o software ANSYS CFX e analisar

os nveis de concentrao do gs para localizao de detectores de

vazamento, a fim de evitar acidentes e exploses. Para isso, torna-se

necessrio o estudo de modelagem matemtica e estudos paramtricos

envolvidos na simulao, estudar o comportamento da velocidade, presso e

concentrao, comparar e validar mtodos para casos reais normalmente

presentes em processos na indstria.

Palavras chaves: Vazamento de Hidrognio, CFD, Ansys CFX.

3

SUMRIO

1. Introduo ............................................................................................. 5

2. Reviso Bibliogrfica ............................................................................ 8

2.1 Consideraes Iniciais ....................................................................... 8

2.2 Vazamento de gs ............................................................................. 8

2.3 Software de Simulao de Escoamento ........................................... 11

2.4 Turbulncia ...................................................................................... 12

3. Atividades Realizadas ........................................................................ 12

4. Modelagem Numrica ......................................................................... 13

4.1 Consideraes Iniciais ..................................................................... 13

4.2 Fundamentao ............................................................................... 13

4.3 Software Utilizado ............................................................................ 13

4.4 Descrio do Problema Estudado .................................................... 14

4.5 Caso 1: Vazamento de Hidrognio em Ambiente Aberto ................. 14

4.5.1 Geometria .............................................................................. 15

4.5.2 Malha ..................................................................................... 15

4.5.3 Configuraes ....................................................................... 16

4.5.4 Caso 1.1: Vazamento de um furo de 50 cm de dimetro ......... 19

4.5.5 Caso 1.2: Vazamento de um furo de 50 mm de dimetro ........ 21

4.5.6 Caso 1.3: Vazamento de um furo de 5 mm de dimetro .......... 24

4.6 Caso 2: Vazamento de Hidrognio num Laboratrio ........................ 29

4.6.1 Geometria .............................................................................. 30

4.6.2 Malha ..................................................................................... 31

4.6.3 Configuraes ....................................................................... 35

4.6.4 Resultados e Discusso ........................................................ 39

5. Concluso ........................................................................................... 44

4

6. Referncias Bibliogrficas ................................................................. 45

5

1. INTRODUO

Atualmente, muitas indstrias utilizam hidrognio em grande escala para

diversos fins, seja na produo de alimentos, combustvel ou utilizado em

processos para obteno de outros produtos, etc. O fato que a presena

cada vez mais intensa de gases inflamveis, como o hidrognio, requer

cuidados de preveno de acidentes provenientes de vazamentos.

Grandes quantidades de H2 so utilizadas na produo industrial de

amnia, pelo processo Haber. A reao reversvel e a formao de NH3

favorecida por presses elevadas, pela presena de um catalisador (Fe) e por

baixas temperaturas. Na prtica, utiliza-se uma temperatura de 380-450C e

uma presso de 200 atmosferas, para se obter uma converso eficiente numa

velocidade razovel.

322 23 NHHN

O hidrognio usado em larga escala em reaes de hidrogenao, nas

quais o hidrognio se adiciona a duplas ligaes de compostos orgnicos. Um

exemplo importante a hidrogenao de leos vegetais com a obteno de

gorduras. cidos graxos insaturados so hidrogenados com H2 e um

catalisador de paldio, formando cidos graxos saturados, que possuem

pontos de fuso mais elevados. Removendo-se dessa maneira as duplas

ligaes da cadeia carbnica, os leos comestveis (lquidos temperatura

ambiente) podem ser convertidos em gorduras (slidas temperatura

ambiente). A razo para assim proceder a maior utilidade de gorduras

slidas, por exemplo, para a preparao de margarina.

COOHCHCHCHCHHCHCOOHCHCHCH n ..)..(.).( 233223

O hidrognio tambm usado para reduzir nitrobenzeno anilina (na

indstria de corantes), e na reduo cataltica do benzeno (a primeira etapa da

produo de nilon-66). Tambm reage com CO para formar metanol.

OHCHHCOrcatalisado

322

6

Tem havido muita discusso sobre os aspectos econmicos do

hidrognio. Parte dessa ideia de que o hidrognio poderia substituir o carvo e

o petrleo como principal fonte de energia. A combusto do hidrognio no ar ou

num atmosfera de oxignio forma gua e libera uma grane quantidade de

energia. Ao contrrio da queima de carvo ou leo em termeltricas, ou de

gasolina e leo diesel em motores de combusto interna, a queima do

hidrognio no forma substncias poluentes como o SO2 e xidos de

nitrognio responsveis pela chuva cida, nem CO2, responsvel pelo efeito

estufa, nem hidrocarbonetos carcinognicos, nem compostos de chumbo.

Diante da grande presena desse gs na indstria, torna-se necessrio

o estudo de risco e alternativas para a preveno de acidentes utilizando

softwares comerciais adequados para simulao. Esse mtodo bastante

vivel, visto que um mtodo de baixo custo e de grande confiabilidade. Um

software bastante utilizado para esse fim o ANSYS CFX que implementa o

Mtodo dos Volumes Finitos e possui grande credibilidade diante de muitos

cientistas e engenheiros nos mais variados ramos da simulao na mecnica

computacional.

O objetivo principal dessa pesquisa a capacitao do aluno para a

modelagem e simulao de fenmenos de escoamentos fluidos envolvendo

vazamento de gases em tubulaes, utilizando o programa computacional

ANSYS CFX, adquirido com recursos do projeto ao qual este trabalho esta

vinculado. O aluno de iniciao cientfica se envolveu primeiramente no estudo

e treinamento nas diversas etapas necessrias para o correto tratamento

computacional do problema de interesse, importantes tanto para a formao do

aluno como para as simulaes e anlise dos resultados obtidos

posteriormente. Em seguida, o aluno participou de intenso perodo de estudo

do programa computacional ANSYS CFX, no qual efetuou as simulaes

necessrias. Estas duas etapas visaram dar uma formao bsica ao aluno em

todas as etapas do processo de modelagem e simulao computacional, assim

como em aspectos especficos do trabalho que desenvolvera.

Finalmente, apos o perodo de capacitao do bolsista, foi efetuado a

simulao de problemas envolvendo vazamento de hidrognio em problemas

7

tpicos semelhantes aos encontrados em casos reais. Os problemas estudados

envolvem tanto vazamento em ambiente aberto como em ambiente fechado.

8

2. REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 Consideraes Iniciais

Primeiramente ser apresentado um descritivo sobre vazamentos de

gases em escala industrial, assim como, sobre alguns trabalhos j

desenvolvidos por pesquisadores nessa rea salientando a importncia deste

assunto.

Aps este, ser comentado sobre a metodologia conhecida como

Computational Fluid Dynamics (CFD) e sobre os programas computacionais

baseados nas tcnicas de volumes finitos, suas aplicaes, vantagens e

desvantagens em relao aos experimentos.

2.2 Vazamento de Gases

O estudo de vazamento de gases na indstria tem tido grande

importncia no s devido preocupao ambiental nos ltimos anos, mas

principalmente devido aos inmeros acidentes j ocorridos levando a srios

danos materiais. Com isso, tem-se intensificado o uso de ferramentas

comerciais para simulao de vazamentos, como o software Ansys CFX, para

otimizao dos processos e preveno de acidentes envolvendo gases.

A Figura 1 mostra a geometria inicial de um problema estudado por

Pfluck [2] considerando um vazamento de gs com diferentes graus de

turbulncia (atmosferas estveis, neutras e instveis), utilizando-se os dados

obtidos atravs do Experimento de Copenhagen, muito utilizado pela

comunidade cientfica. Neste trabalho, foi estudada a disperso de hexafluoreto

de enxofre de uma torre de transmisso de TV a uma altura de 115m em

relao ao solo e coletado em unidades de amostragem localizadas em trs

linhas distintas, com uma cota de 2 a 3 metros acima do solo.

9

Figura 1: Geometria do problema de disperso de gs em ar livre (Pfluck,

2010).

No estudo de disperso de gases na atmosfera j foi analisada a

influncia de obstculos atravs dos conceitos de pluma flutuante e disperso

gaussiana [3]. Esse mtodo empregado na simulao de disperso de gases

considerado conveniente, devido possibilidade de se analisar com

considervel segurana os nveis de concentrao do gs e as variaes de

parmetros devido presena de obstculos, como mostra a Figura 2.

Figura 2: Representao esquemtica do escoamento e disperso de

contaminantes ao redor de um obstculo considerando uma chamin localizada

sobre o obstculo (Shauberger & Pirlinger, 2004).

10

Em rea de risco, como usinas nucleares, j foram feitas simulaes de

vazamento de cloreto de hidrognio considerando a propagao e

flamabilidade da nuvem do gs na regio considerada [4]. Foram feitas

simulaes de hidrognio e cloreto de hidrognio separadamente, embora, em

casos reais, ambos os gases pudessem ocorrer simultaneamente. A Figura 3

mostra a variao da frao molar do hidrognio para esse caso.

Figura 3: Concentrao de hidrognio para trs diferentes malhas a 500 s com

vento a 10m/s (Wilkening, H , 2010).

A preveno de acidentes em ambiente fechado tambm a base de

muitos estudos no tema de vazamentos de gases. Os estudos feitos por

Heitsch [5], por exemplo, mostram a importncia desses a partir da instalao

adequada de sensores no ambiente em questo. O acmulo do gs em regies

fechadas torna o estudo ainda mais intenso e detalhado, visto que, para gases

inflamveis e txicos, o risco de exploso ainda maior. A Figura 4 mostra a

geometria do laboratrio do estudo em questo.

11

Figura 4: Vazamento de gs num Laboratrio (Heitsch, M., 2010).

Este trabalho consiste na determinao dos pontos de localizao para

sensores de gs no laboratrio. O problema consiste basicamente de um

vazamento de hidrognio proveniente de uma garrafa de gs aprisionado com

volume de 50L. O vazamento ocorre por uma pequena ruptura do recipiente de

dimetro 4 mm. A velocidade inicial do gs de 2500m/s. A presso no interior

do laboratrio considerada constante no valor de 20 MPa e na regio do

vazamento a presso de 50 MPa.

2.3 Software para Simulao de Escoamentos

Dentre as metodologias mais utilizadas para os estudos de escoamento

de fluidos, tal como vazamentos de gases esto aquelas baseadas em

modelagem e simulao computacional denominada de CFD (Computational

Fluid Dynamics). Os sistemas computacionais tm sido bastante utilizados

devido a sua praticidade e a robustez dos mtodos tericos que embasam os

mesmos.

Embora CFD seja uma ferramenta muito importante atualmente para

estudos de simulao, ele possui suas limitaes e, nem sempre poder

apresentar resultados com 100% de certeza. O estudo de malhas torna-se

essencial nesse sentido, pois ele ser o responsvel pela qualidade dos

resultados adquiridos na simulao usando qualquer programa computacional.

12

2.4 Turbulncia

Em alguns estudos foram utilizados o conceito da mdia de Reynolds

(tambm conhecido como os modelos RANS, do ingls Reynolds-Averaged

Navier Stokes), adicionado de um modelo de turbulncia de duas equaes

(RNG-e) e da equao do transporte de um poluente genrico [2].

Contudo, tem sido muito utilizado os modelos de turbulncia k-psilon e

k-mega para simulaes mais robustas. Ambos possuem uma qualidade de

resultados significativa quando os problemas no so de grande complexidade.

3 ATIVIDADES REALIZADAS

Durante o perodo da bolsa foram realizadas as seguintes atividades:

i. Curso de Mtodos Computacionais utilizando o software Ansys CFX;

ii. Treinamento atravs da modelagem e simulao de escoamento de fluidos

interno e externo a um cilindro;

iii. Estudo de manuais do software Ansys CFX e trabalhos relacionados aos

tpicos do presente projeto.

iv. Modelagem e simulao de vazamento de hidrognio em ambientes abertos

e fechados;

a. Simulao do caso de vazamento entre dois prdios baseado no

trabalho intitulado Numerical simulation of hydrogen gas releases

between buildings (Schmidt, D. et al, 1999);

b. Simulao do caso de vazamento num laboratrio baseado no

trabalho intitulado Numerical Analisis of Accidental Hydrogen

Release in a Laborator (Heitsch, M. et al, 2010);

13

4 MODELAGEM NUMRICA

O programa adotado, Ansys CFX, utiliza o mtodo dos Volumes Finitos

para soluo das equaes diferenciais que descrevem a dinmica dos fluidos

computacional.

4.1 Mtodo dos Volumes Finitos

O Mtodo de Volumes Finitos consiste basicamente na soluo de

equaes que descrevem o problema na forma integral utilizando o balano de

fluxos sobre volumes de controle que discretizam o contnuo e que, no caso

tridimensional poliedros quaisquer, porm a depender da formulao

classicamente utilizam-se tetradricos, hexadricos, pirmides ou prismas que

representam o domnio do problema a ser resolvido.

4.2 Fundamentao

As leis fundamentais da fsica de conservao de massa, momento e

energia em conjunto com equaes conservativas, leis de estado e modelos de

fechamento de turbulncia representam, em linhas gerais, a base do modelo

fsico matemtico dos problemas tratados atravs da dinmica dos fluidos

computacional.

4.3 Software Utilizado

CFX Pre

No CFX Pre so introduzidos parmetros fundamentais a modelagem e

simulao de problemas atravs do programa incluindo modos de comando,

interfaces e consideraes gerais de malhas, simulao e anlise.

14

CFX Post

O CFX post apresenta caractersticas e funcionalidades do programa

utilizando, por exemplo, a introduo de linhas de comando para interagir com

o programa na visualizao do desenvolvimento de variveis.

CFX Solver

O CFX Solver possui ferramentas importantes para a visualizao dos

erros apresentados nas simulaes e a partir de tratamentos adequados na

malha, principalmente, podemos minimizar esses erros que podem ser

visualizados no CFX Solver Manager Interface.

4.4 Descrio do problema estudado

Para analisar de forma geral o vazamento de gs foram considerados

pontos relevantes como a presena de acelerao da gravidade (Buoyancy) e

mistura de composio varivel (Variable Composition Mixture).

A acelerao da gravidade pode ter uma grande influncia na simulao

devido a uma possvel alterao no percurso das molculas do gs em sua

disperso pelo domnio. Por isso, para consider-lo e tornar o problema mais

prximo do real, foi includo a opo Buoyancy com o valor 9.8 m/s.

Ainda para que a soluo fosse a mais adequada, foi utilizado uma

mistura de composio varivel para inserir o gs hidrognio no domnio. Com

o passar da simulao os gases passaro a se misturar e sofrer influncia um

do outro, interferindo assim, na concentrao de ambos ao longo do domnio.

4.5 Caso 1: Vazamento de hidrognio em ambiente aberto

Nessa simulao foram considerados dois tamanhos para a regio de

vazamento do gs e para cada um deles foi realizado um tratamento diferente.

Para esse primeiro caso, o dimetro do furo onde ocorre o vazamento de 50

mm, ou alternativamente de 5 mm, a 5m de distncia da borda do domnio

com gs hidrognio velocidade de 100 m/s e vento a 2 m/s. Esse caso foi

15

baseado no trabalho de [11] intitulado Numerical Simulation of Hydrogen gas

releases between buildings.

4.5.1 Geometria

A geometria para a simulao do vazamento de gs hidrognio em

ambiente aberto mostrada na Figura 5. A regio do vazamento consiste em

um furo distanciado 5m da borda e as dimenses do domnio so de 52m x

25m x 12 m.

Figura 5: Geometria para o caso do vazamento em ambiente aberto.

A geometria utilizada possui as dimenses segundo consta no trabalho

original [11]. As duas colunas presentes na geometria possuem dimenso de

0,5m x 1m.

4.5.2 Malha

A malha inicialmente utilizada para esse caso foi aquela mostrada na

Figura 6. Trata-se de uma malha tetradrica com refinamento apenas na regio

do vazamento.

16

Figura 6: Plano mostrando o contorno da variao de velocidade do

Tambm foi utilizada uma malha hexadrica para o caso do vazamento

de um furo de 5 mm.

4.5.3 Configuraes

A Figura 7 mostra as condies de contorno aplicadas geometria deste

problema.

Figura 7: Condies de contorno para o caso do vazamento de hidrognio em

regio aberta.

17

Na regio esquerda (eixo z) temos uma condio de entrada (Inlet) para

vento a 2 m/s. Na regio esquerda (eixo z) temos uma condio de sada

(Outlet) com presso de 0 Pa. A regio do vazamento (furo) possui entrada do

gs hidrognio (Inlet) cuja velocidade foi variada. Todo o resto do domnio

possui como condio de contorno parede sem deslizamento (No Slip Wall).

Tabela 1: Condies Iniciais do Domnio para o caso do vazamento em

ambiente aberto.

Domain - Default Domain

Type Fluid Location B18 Materials Air at 25 C Fluid Definition Material Library Morphology Continuous Fluid H2 Ideal Gas Fluid Definition Material Library Morphology Continuous Fluid Settings Buoyancy Model Buoyant Buoyancy Reference Density 1.0000e+00 [kg m^-3] Gravity X Component 0.0000e+00 [m s^-2] Gravity Y Component -9.8000e+00 [m s^-2] Gravity Z Component 0.0000e+00 [m s^-2] Buoyancy Reference Location Automatic Domain Motion Stationary Reference Pressure 1.0000e+00 [atm] Heat Transfer Model Isothermal Fluid Temperature 2.5000e+01 [C] Homogeneous Model False Turbulence Model Fluid Dependent Homogeneous Model False

Tabela 2: Condies de Contorno para o caso do vazamento em ambiente

aberto.

Domain Boundaries

Default Domain

Boundary - Boundary 1 Type INLET

Location F22.18 Settings

Flow Regime Subsonic

18

Mass And Momentum

Normal Speed

Normal Speed 2.0000e+00 [m s^-1] Turbulence Medium Intensity and Eddy Viscosity Ratio

Fluid Fluid 1 Volume Fraction Value Volume Fraction 1.0000e+00

Fluid H2 Volume Fraction Value Volume Fraction 0.0000e+00

Boundary - Boundary 5 Type INLET


Flow Regime Subsonic Mass And Momentum

Normal Speed

Normal Speed 1.0000e+02 [m s^-1] Turbulence Medium Intensity and Eddy Viscosity Ratio

Fluid Fluid 1 Volume Fraction Value Volume Fraction 0.0000e+00


Boundary - Boundary 2 Type OPENING


Flow Direction Normal to Boundary Condition Flow Regime Subsonic

Mass And Momentum

Opening Pressure and Direction

Relative Pressure

0.0000e+00 [Pa]

Turbulence Medium Intensity and Eddy Viscosity Ratio Fluid Fluid 1

Volume Fraction Value Volume Fraction 1.0000e+00


Boundary - Boundary 3 Type OUTLET



Average Static Pressure

Pressure Profile 5.0000e-02

19

Blend Relative Pressure

0.0000e+00 [Pa]

Pressure Averaging

Average Over Whole Outlet

Boundary - Boundary 4 Type WALL

Location F20.18, F21.18, F23.18, F43.18, F44.18, F45.18, F46.18, F47.18, F48.18

Settings Mass And Momentum

Fluid Dependent

Wall Roughness Smooth Wall Fluid Fluid 1

Mass And Momentum

No Slip Wall

Fluid H2 Mass And Momentum

No Slip Wall

4.5.4 Caso 1.1: Vazamento de um furo de 50 cm de dimetro

Os resultados obtidos para o dimetro do furo de 50 cm foram razoveis

qualitativamente, embora na prtica esse caso seja pouco provvel de ocorrer.

A Figura 8 mostra a variao de concentrao de hidrognio pelo domnio. A

malha utilizada foi tetradrica com 5611 ns e 29471 elementos.

Figura 8: Plano mostrando o contorno da variao de velocidade do

vazamento de hidrognio.

A Figura 9 mostra a variao de frao mssica do vazamento do gs.

20

Figura 9: Vista lateral da frao mssica do vazamento de hidrognio.

Comparando o resultado com o obtido por Matos [12], podemos

observar que a disperso do gs ocorre de forma diferente devido ao tamanho

do furo do vazamento utilizado na simulao e tambm a velocidade do vento.

No primeiro caso (figura maior) o furo possui um dimetro de 50 cm e a

velocidade do vento foi considerada 2 m/s e no segundo (figura menor) o furo

possui dimetro de 5 mm e a velocidade do vento de 10 m/s.

A partir de linhas plotadas no domnio na direo perpendicular ao furo,

podemos plotar o grfico de variao da concentrao (frao mssica) ao

longo do eixo y, como mostra a Figura 10.

Figura 10: Variao da concentrao de hidrognio ao longo do eixo y no local

do vazamento.

21

A Figura 11 mostra a variao de presso em relao ao eixo z.

Figura 11: Variao da presso em relao ao eixo z no local do vazamento.

4.5.5 Caso 1.2: Vazamento de um furo de 50 mm de dimetro

Os resultados para o furo de dimetro 50 mm so mostrados a seguir. A

Figura 12 mostra o contorno num plano localizado na regio do vazamento com

a variao da presso total.

Figura 12: Vista lateral da variao da presso total sobre um plano.

22

A Figura 13 mostra a isosurface para uma frao mssica de gs

hidrognio de 0.04 (valor limite de flamabilidade do hidrognio no ar).

Figura 13: Isosurface para a concentrao de hidrognio de 0.04.

A Figura 13 mostra a variao da concentrao do gs hidrognio em

relao ao eixo y sobre a regio do vazamento. Comparando novamente com o

original [12] podemos ver que a concentrao de 0.04 do gs hidrognio no

primeiro caso abrangeu uma rea menor. Isso pode ter sido devido a diferena

entre os tamanhos do furo e velocidade do vento.

Figura 14: Variao da concentrao de hidrognio em relao ao eixo y no

local do vazamento.

23

Da Figura 14 observamos que a concentrao decai rapidamente da

direo y acima do vazamento o que impossibilita qualquer risco de exploso

nessa rea. A concentrao de hidrognio zero aproximadamente a partir de

1m de altura.

A Figura 15 mostra a variao de presso verticalmente acima do

vazamento.

Figura 15: Variao da presso em relao ao eixo y no local do vazamento.

A Figura 16 mostra a variao de concentrao de hidrognio

horizontalmente ao longo do domnio (passando sobre a regio do vazamento).

24

Figura 16: Variao da concentrao de hidrognio em relao ao eixo z.

A partir da Figura 16 podemos observar que h um aumento

considervel na concentrao de hidrognio ao longo do domnio, mas esse

valor no chega aos 4% de concentrao o que seria um possvel risco de

exploso.

4.4.2 Caso 1.3: Vazamento de um furo de 5 mm de dimetro

A geometria para esse caso s difere no tamanho do furo do vazamento.

Nesse caso o dimetro 5 mm. Foram adicionados crculos ao redor do furo

para gerar uma regio de influncia no quais so controlados os tamanhos dos

elementos, gerando uma gradao mais suave na malha nessa regio.

As condies de contorno utilizadas foram:

Vento a 2 m/s na regio mais prxima do vazamento como Inlet;

Gs hidrognio (gs ideal) com velocidade de 100 m /s como Inlet;

Mistura de composio varivel Ar + Hidrognio, ambos como gases

ideais;

Paredes laterais com No Slip Wall;

25

Openning na regio aberta superior.

A Figura 17 mostra a malha utilizada para esse caso que foi uma malha

hexadrica. Essa opo foi escolhida para adaptar melhor a gradao da

malha na regio do vazamento.

Figura 17: Malha para o vazamento de gs hidrognio (gs ideal a 25C) em

ambiente aberto.

A Tabela 3 mostra o nmero de ns e elementos da malha utilizada para

esse caso.

Tabela 3: Malha para o caso do vazamento em ambiente aberto com furo de 5

mm de dimetro.

Domnio Ns Elementos

Default Domain 5831 7036

Foram utilizados elementos hexadricos em todo o domnio. Na regio

do vazamento foram includas 6 regies circulares para melhorar a gradao

da malha, como mostra em detalhe a Figura 18.

26

Figura 18: Regio do vazamento de hidrognio (gs ideal a 25C).

Fazendo a simulao para o caso de um furo de dimetro 5 mm,

podemos obter os resultados que seguem e comparar com os resultados

anteriores para um vazamento proveniente de um furo de 50 mm.

Como podemos observar nas Figuras 19 e 20 a dimenso do vazamento

em relao ao domnio muito pequena e o espalhamento que o gs toma

relativamente restrito a poucos metros da regio do vazamento.

Figura 19: Variao da concentrao de hidrognio do vazamento de 5 mm de

dimetro.

Na Figura 20 podemos ver em maior detalhe o vazamento do gs pelo

domnio.

27

Figura 20: Variao da concentrao de hidrognio do vazamento de 5 mm de

dimetro (detalhe).

A influncia do vento nesse caso passa a ser tambm considervel

devido as propores do vazamento. Com um furo de 5 mm a influncia do

vento preponderante no espalhamento do gs pelo domnio. A Figura 21

mostra a variao da concentrao de hidrognio no eixo y sobre a regio do

vazamento.

Figura 21: Variao da frao mssica de hidrognio verticalmente sobre a

regio do vazamento.

28

A Figura 22 mostra a variao da concentrao de hidrognio no eixo y

sobre a regio do vazamento.

Figura 22: Variao da frao mssica de hidrognio ao longo do eixo z

A Figura 23 mostra as linhas e pontos utilizados para plotar os grficos

de concentrao do gs hidrognio.

Figura 23: Localizao dos pontos, linhas e plano para a obteno dos grficos

de variao de frao mssica de H2.

Plotando pontos nas posies 44m, 20m e 8m em relao ao eixo z

(como mostra a Figura 23) pode-se analisar a variao da concentrao do gs

29

hidrognio ao longo do domnio. Foi colocado inicialmente um tempo total de

simulao de 300 s com intervalo de tempo de 30s.

A variao de concentrao nos respectivos pontos mostrada na

Figura 24. Como pode se observar, para as condies expostas, no haveria

risco de exploso em todo o domnio, pois o valor de frao mssica no chega

ao valor de risco 0.04, sendo o mximo alcanado de menos que 0,0013 no

ponto 2.

Figura 24: Variao da frao mssica de hidrognio com o tempo.

4.6 Caso 2: Vazamento de hidrognio num laboratrio

Essa simulao consiste no estudo do caso analisado por Heitsch et al,

(2010) [5] no trabalho intitulado Numerical Analisis of Accidental Hydrogen

Release in a Laboratoy. Nesse estudo foram considerados alguns valores

aproximados para a geometria do problema devido ao fato de no ter sido

abordado todos os detalhes no trabalho em questo. O valor da velocidade de

hidrognio foi de 1000 m/s e o dimetro do furo foi de 0,1m. Esses valores

30

foram adotados devido a melhor adaptao da malha no furo em relao ao

tamanho do domnio.

Esse caso consiste na simulao de um vazamento em ambiente

fechado (laboratrio) com um furo de 10 cm de dimetro localizado na regio

lateral do domnio e velocidade do gs hidrognio de 1000m/s. O vazamento

proveniente de uma garrafa de gs aprisionado com volume de 50 L. Apesar de

ser considerado um caso de vazamento em ambiente fechado, consideramos a

entrada e sada de ar atravs de regies de ventilao e exaustores. A

diferena nesse caso que o teto no considerado como condio de

contorno Opening, que foi considerado no primeiro caso.

4.6.1 Geometria

A geometria do caso do vazamento num laboratrio foi construda

seguindo a estrutura convencional de um laboratrio considerando regies de

entrada e sada de ar localizado no teto e nas paredes. Os computadores e

equipamentos analticos foram desprezados porque no influenciariam a

disperso global do gs pelo domnio. A geometria construda mostrada pela

Figura 25.

Figura 25: Geometria para simular vazamento de gs num laboratrio.

As dimenses de cada item presente no domnio foram colocadas como

valores aproximados:

31

Sistema de ventilao: 0,2m x 0,4m;

Exaustores: 0,2m x 0,30m;

Colunas: 0,20m x 0,20m;

Regio do vazamento: 0,10m.

4.6.2 Malha

A primeira malha gerada para esse problema foi aquela mostrada pela

Figura 26. Essa malha foi construda adicionando um cone na regio do

vazamento com altura igual a dimenso do domnio. O cone foi inserido como

Add Frozen onde os corpos foram posteriormente unificados para gerar uma

malha conforme.

Foi utilizado um Body Sizing no cone aplicando o valor de 0.01 como

tamanho dos elementos. malha ao redor foi aplicado um Sizing de 0.6 para

os elementos.

Figura 26: Malha de elementos tetradricos.

Embora tenha sido testada, essa malha no apresentou bons resultados

devido, principalmente ao tempo de simulao. Nesse caso, foi testada uma

outra malha, desta vez usando elementos tetradricos no domnio e

hexadricos no cone (localizado na regio do vazamento).

32

Posteriormente foi construda uma malha de elementos tetradricos na

regio exterior e elementos hexadricos na regio prxima do vazamento. Foi

inserido um cone nesta de forma a criar elementos hexadricos para captar

melhor a disperso do gs hidrognio naquela regio.

Foi construda uma malha de elementos tetradricos na regio exterior e

elementos hexadricos na regio prxima do vazamento. Foi inserido um cone

nesta de forma a criar elementos hexadricos para captar melhor a disperso

do gs hidrognio naquela regio.

A Figura 27 mostra a segunda malha gerada para este caso.

Figura 27: Malha tetradrica e hexadrica.

A malha na regio do cone pode ser melhor visualizada na Figura 28.

Figura 28: Malha tetradrica e hexadrica (detalhe).

Ser efetuada a seguir na seco de configuraes, porm antes

destacamos o teste de convergncia de malha foram utilizadas quatro malhas

com o nmero de elementos e ns mostrados nas Tabelas 7.

33

Tabela 4: Teste de Convergncia de Malha.

1 Malha 2 Malha 3 Malha 4 Malha

Ns 19313 24362 34390 84532

Elementos 97228 113105 155880 364625

Para o teste de convergncia de malha foram utilizadas 2 linhas e 4

pontos para obter dados sobre a variao das propriedades do gs hidrognio

ao longo do domnio e comparar os resultados obtidos atravs das simulaes

com diferentes malhas.

A Figura 28 mostra as linhas e pontos citados. As linhas e os pontos

esto a 2 m de altura e estes esto localizados a 0, 5, 15 e 20 m em relao ao

eixo z.

Figura 28: Localizao dos pontos e linhas no domnio para o teste de

convergncia de malha.

As Figuras 29, 30 e 31 mostram resultados das 4 malhas utilizadas

nessa simulao.

34

Figura 29: Variao da presso ao longo do eixo z.

Figura 30: Variao da velocidade do hidrognio ao longo do eixo x.

35

Figura 31: Variao da frao mssica do hidrognio ao longo do eixo x.

De acordo com os resultados mostrados no teste de convergncia de

malha consideramos que chegamos a um resultado satisfatrio para a 4 malha

com nmero de elementos igual a 364625, pois mesmo tendo mais que o dobro

do nmero de ns e de elementos em relao terceira malha os resultados

variam relativamente pouco.

4.6.3 Configuraes

A Figura 32 mostra as condies de contorno aplicadas ao domnio.

Figura 32: Condies de contorno para o caso do vazamento num laboratrio.

36

Para o caso do vazamento de gs hidrognio num laboratrio, foram

utilizados os dados mostrados nas Tabelas 5, 6 e 7.

Tabela 5: Malha para o caso do vazamento num laboratrio.

Domain Nodes Elements

Default Domain 24362 113105

Tabela 6: Condies Iniciais do Domnio para o caso do vazamento num

laboratrio.

Domain - Default Domain

Type Fluid Location B387, B582

Materials Air at 25 C Fluid Definition Material Library Morphology Continuous Fluid Material 1 Fluid Definition Material Library Morphology Continuous Fluid

Settings Buoyancy Model Non Buoyant Domain Motion Stationary Reference Pressure 1.0000e+00 [atm] Heat Transfer Model Isothermal Fluid Temperature 2.5000e+01 [C] Homogeneous Model False Turbulence Model Fluid Dependent Homogeneous Model False

Tabela 7: Condies de Contorno para o caso do vazamento num laboratrio.

Domain Boundaries

Default Domain

Boundary - EntradaDeArPelaParede Type INLET Location F391.387

Settings Flow Regime Subsonic Mass And Momentum

Normal Speed

Normal Speed

2.0000e+00 [m s^-1]

37

Turbulence Medium Intensity and Eddy Viscosity Ratio Fluid Fluid 1 Volume Fraction

Value

Volume Fraction

1.0000e+00

Fluid H2 Volume Fraction

Value

Volume Fraction

0.0000e+00

Boundary - EntradaDeArPeloSistemaDeVentilacao Type INLET Location F317.387, F322.387, F327.387, F332.387,

F337.387, F342.387 Settings


Normal Speed

Normal Speed

1.0000e+00 [m s^-1]

Turbulence Medium Intensity and Eddy Viscosity Ratio Fluid Fluid 1 Volume Fraction

Value

Volume Fraction

1.0000e+00


Value

Volume Fraction

0.0000e+00

Boundary - VazamentoDeHidrogenio Type INLET Location F311.582


Normal Speed

Normal Speed

1.0000e+03 [m s^-1]

Turbulence High Intensity and Eddy Viscosity Ratio Fluid Fluid 1 Volume Fraction

Value

Volume Fraction

0.0000e+00


Value

38

Volume Fraction

1.0000e+00

Boundary - SaidaDeArPelaParede Type OUTLET Location F393.387



Pressure Profile Blend

5.0000e-02

Relative Pressure

0.0000e+00 [Pa]

Pressure Averaging


Boundary - SaidaDeArPelosExaustores Type OUTLET Location F281.387, F286.387, F291.387, F296.387,

F301.387, F306.387, F358.387, F363.387, F368.387, F373.387



Pressure Profile Blend

5.0000e-02

Relative Pressure

0.0000e+00 [Pa]

Pressure Averaging


Boundary - ParedesExaustores2 Type WALL Location F312.387, F313.387, F314.387, F315.387,

F316.387, F359.387, F360.387, F361.387, F362.387, F364.387, F365.387, F366.387, F367.387, F369.387, F370.387, F371.387, F372.387, F374.387, F375.387, F376.387,

F377.387 Settings

Mass And Momentum

No Slip Wall

Wall Roughness

Smooth Wall

Boundary - ParedesExaustoresEVentilacao1 Type WALL Location F282.387, F283.387, F284.387, F285.387,

F287.387, F288.387, F289.387, F290.387, F292.387, F293.387, F294.387, F295.387, F297.387, F298.387, F299.387, F300.387, F302.387, F303.387, F304.387, F305.387,

39

F307.387, F308.387, F309.387, F310.387, F318.387, F319.387, F320.387, F321.387, F323.387, F324.387, F325.387, F326.387, F328.387, F329.387, F330.387, F331.387, F333.387, F334.387, F335.387, F336.387, F338.387, F339.387, F340.387, F341.387, F343.387, F344.387, F345.387, F346.387


No Slip Wall

Wall Roughness

Smooth Wall

Boundary - ParedesGrandes Type WALL Location F378.387, F379.387, F380.387, F381.387,

F382.387, F383.387, F384.582, F385.387, F386.387, F388.387, F389.387, F390.387,

F392.387, F584.387 Settings

Mass And Momentum

No Slip Wall

Wall Roughness

Smooth Wall

Boundary - ParedesMedias Type WALL Location F347.387, F348.387, F349.387, F350.387,

F351.387, F352.387, F353.387, F354.387, F355.387, F356.387, F357.387


No Slip Wall

Wall Roughness

Smooth Wall

4.6.4 Resultados e Discusso

Nas configuraes para o segundo caso do vazamento no laboratrio

temos entrada de ar nas 7 entradas no teto, sadas nos 10 exaustores

presentes no teto e prximo s paredes. Foi consideradas velocidade de ar de

2 m/s na entrada direita pelo laboratrio e 1 m/s pelo sistema de ventilao. A

entrada do gs hidrognio no laboratrio de 1000 m/s atravs de um furo de

dimetro de 10 cm.

A Figura 33 mostra a variao da velocidade do hidrognio ao longo do

domnio.

40

Figura 33: Velocidade de vazamento do hidrognio no laboratrio.

A Figura 34 mostra a variao da frao volumtrica do hidrognio ao

longo do domnio.

Figura 34: Variao da frao volumtrica do hidrognio ao longo do eixo x.

41

A Figura 35 mostra a variao da frao volumtrica do hidrognio ao

longo do domnio com uma escala de 0 a 0.04 (limite de flamabilidade do

hidrognio).

Figura 35: Variao da frao volumtrica do hidrognio ao longo do eixo x.

Na Figura 35 podemos analisar melhor a variao de concentrao do

hidrognio e verificar as reas de maior risco de exploso que so aquelas que

possuem a concentrao prxima ou maior que o limite de 0.04.

Para vazamentos desse tipo (considerando localizao e velocidade

aproximadas) seria conveniente a localizao de sensores de vazamento nas

regies em vermelho (nas Figuras 34 e 35). Em particular, a posio de 2 m

acima do solo e 2 m abaixo do teto (como indica os pontos pretos na Figura 34)

seriam bem localizados para detectar o vazamento em tempo hbil a fim de

evitar exploses.

Na Figura 36 mostrada a isosurface para a frao mssica do gs

hidrognio com valor de 0.04 (limite de flamabilidade).

42

Figura 36: Comparao da isosurface para frao volumtrica de hidrognio

de 0.04 com o resultado obtido por Heitsch et al (2010) [5].

observado que a regio de risco de exploso est restrita rea

frontal ao vazamento mostrado pela rea vermelha na Figura 35, no havendo,

inicialmente, qualquer risco em outro local do domnio nessas condies.

Nas Figuras 37 e 38 so mostradas as variaes da frao mssica e

velocidade ao longo do eixo x na altura do furo.

Figura 37: Variao da frao mssica do hidrognio em relao ao eixo x.

43

Observamos que ao longo de x na regio do vazamento do gs a

concentrao bastante alta podendo provocar autoignio instantaneamente.

Figura 38: Variao da velocidade do hidrognio ao longo do eixo x.

Podemos observar da Figura 38 que a velocidade do gs hidrognio

decai consideravelmente em poucos metros e que aps 9 m j no h mais

presena de velocidade do gs, o que torna a disperso do mesmo nessa

regio muito menor do que nas regies anteriores e mais prximas do furo.

44

4 CONCLUSO

No presente trabalho foi possvel estudar de forma consistente as

condies necessrias para a modelagem e simulao de vazamento de gases

em regies abertas e fechadas. Em particular para o gs hidrognio foi possvel

analisar as regies de maior probabilidade de exploso ou autoignio a partir

da deteco dos nveis de concentrao do gs ao longo de todo o domnio.

Com esse estudo, observa-se a importncia desse tipo de anlise para

preveno de acidentes envolvendo vazamento de gases inflamveis como

continuidade deste trabalho estudos paramtricos e de otimizao da

localizao de sensores de modo a alertar em tempo hbil a presena do gs

acima de determinado nvel de concentrao.

Por fim, consideramos que os estudos vieram a trazer um contedo

significativo de novas informaes e possibilitar um domnio razovel para a

execuo de simulaes utilizando um software consolidado na mecnica

computacional.

45

5 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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inglesa, Ed. Blucher, So Paulo, 1999.

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obstculos atravs do Modelo de pluma flutuante, Vitria, 2007.

4. Sully, A., Heitsch M., Baraldi, D., Wilkening, H., Numerical Simulations of

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Production Facility, 2010.

5. Heitsch, M., Baraldi, D., Moretto, P., Numerical Analisis of Accidental

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6. Souza, G.G., Anlise Numrica de Escoamento de Ar na Sada da

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7. Fortuna, A.O., Tcnicas Computacionais para Dinmica dos Fluidos:

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9. Antunes, A., Um Sistema Computacional Utilizando uma Formulao de

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Computao Paralela, Recife-PE, 2008.

10. Maliska, Clovis R. Transferncia de calor e mecnica dos fluidos

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11. Schmidt, D., Krause, U., Schmidtchen, U., Numerical Simulation of

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Desempenho de Vazamento e Disperso de Poluentes atravs do

ANSYS-CFX, Recife, PE, 2010.

MODELAGEM E SIMULAÇÃO DE VAZAMENTO DE HIDROGÊNIO ATRAVÉS DO ANSYS CFX - Relatório de IC

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