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MODELAGEM E SIMULAO DE VAZAMENTO DE HIDROGNIO ATRAVS DO ANSYS CFX

Sandro Cordeiro So Marcos1; Paulo Roberto Maciel Lyra2

1Estudante do Curso de Engenharia Qumica CTG UFPE; E-mail: sandrocordeiroo@hotmail.com, 2Docente/pesquisador do Depto. de Engenharia Mecnica DEMEC UFPE. E-mail: prmlyra@ufpe.br.

Sumrio: Esse trabalho teve como objetivo simular vazamento de hidrognio em regies abertas e 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. Foi utilizado o software ANSYS CFX que trabalha com o Mtodo dos Volumes Finitos, do ingls, Finite Volume Method (FVM), que possuem caractersticas especiais para a discre-tizao de problemas na mecnica dos fluidos. Este trabalho foi baseado em estudos feitos por Heisch et al. (2010) sobre vazamento de hidrognio em um laboratrio com alteraes no dimetro do furo e velocidade do vazamento, tendo como diferencial o detalhamento das dimenses do domnio no encontrado no trabalho original. Com esse estudo foi poss-vel localizar as regies de maior risco de exploso possibilitando localizar posies para a localizao de detectores de vazamento.

Palavraschave: Ansys CFX; CFD; vazamento de hidrognio

INTRODUO A preveno de acidentes em ambiente fechado representa a motivao de muitos estudos no tema de vazamentos de gases. Estudos feitos por Heitsch et al. (2010), por exemplo, mostram a importncia desses a partir da instalao adequada de detectores de vazamento 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 1 mostra a geometria do laboratrio do estudo em questo.

Figura 1: Vazamento de gs num Laboratrio (Heitsch et al., 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 pe-quena ruptura do recipiente de dimetro 10 cm de dimetro. A velocidade inicial do gs de 1000m/s.

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MATERIAIS E MTODOS Estudos Preliminares: Foram realizados estudos 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). Todo o estudo necessrio para esta simulao foi realizado a partir do trabalho de Heitsch et al. e dos manuais tericos do software Ansys CFX.

Geometria: Foi modelada a geometria do problema em questo utilizando o CFX Model-ler. A geometria construda mostrada pela Figura 2.

Malha: A primeira malha gerada para esse problema foi aquela mostrada pela Figura 3. 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 e utilizado o valor de 0.01 para o tamanho dos elementos. malha ao redor foi aplicado um Sizing de 0.6 para os elementos. Posteriormente foi construda uma malha elementos hexadricos na regio pr-xima do vazamento. Ambas as malhas podem ser visualizadas nas Figuras 3 e 4.

Figura 3: Malha de elementos tetra-dricos.

Figura 4: Malha tetradrica e hexa-drica (detalhe).

Dimenses do Laboratrio: 12m x 8,5m 3,5m

Sistema de ventilao: 0,2m x 0,4m; Exaustores: 0,2m x 0,30m; Colunas: 0,20m x 0,20m; Dimetro do furo do vazamento:

0,10m.

Figura 2: Geometria para simular vaza-mento de gs num laboratrio.

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Teste de Convergncia de Malha: Para ter resultados satisfatrios utilizando uma malha adequada a fim de otimizar o tempo de simulao e ter boa qualidade dos resultados torna-se necessrio realizar o teste de convergncia de malha. Com isso, foram utilizadas quatro malhas com o nmero de elementos e ns mostrados nas Tabela 1.

Tabela 1: Teste de Convergncia de Malha.

1 Malha 2 Malha 3 Malha 4 Malha Ns 19313 24362 34390 84532 Elementos 97228 113105 155880 364625 .

Configuraes: Foram aplicadas as condies de contorno no domnio de acordo com os dados fornecidos em Heitsch et al. (2010). A Figura 5 mostra as condies de contorno aplicadas ao domnio.

RESULTADOS As Figuras 6 e 7 mostram a variao da frao volumtrica do hidrognio ao longo do do-mnio. No primeiro com escala de 0 a 1 e no segundo com escala de 0 a 0.04 (limite de flamabilidade do hidrognio).

Na Figura 8 mostrada a isosurface para a frao mssica do gs hidrognio com valor de 0.04 (limite de flamabilidade).

Figura 6: Variao da frao volumtrica do hidrognio ao longo do eixo x.

Figura 7: Variao da frao volumtrica do hi-drognio ao longo do eixo x.

Inlet: 7 entradas para ar (gs ideal a 25C) no teto a 1 m/s, 1 entrada para o vento na regio lateral do domnio a 2 m/s e entrada de gs hidrognio a 1000 m/s.

Outlet: regio de sada com pres-so a 0 Pa e 10 sadas de ar pelos exaustores.

Wall: paredes sem deslizamento (No Slip Wall).

Figura 5: Condies de contorno para o caso do vazamento num labo-

ratrio.

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Figura 8: Comparao da Isosurface para frao volumtrica de hidrognio de 0.04 com o resultado obtido por Heitsch et al (2010).

DISCUSSO Para esse estudo seria conveniente localizao de sensores de vazamento nas regies em vermelho (Figura 7). Em particular, a posio de 2 m acima do solo e 2 m abaixo do teto seriam bem localizados para detectar o vazamento em tempo hbil a fim de evitar explo-ses. Na Figura 8 pde-se analisar melhor a variao de concentrao do hidrognio e veri-ficar as reas de maior risco de exploso que so aquelas que possuem a concentrao pr-xima ou maior que o limite de 0.04. Tambm observado que a regio de risco de exploso est restrita rea frontal ao vazamento mostrado pela rea vermelha na Figura. Observa-mos que ao longo de x na regio do vazamento do gs a concentrao bastante alta po-dendo provocar autoignio instantaneamente.

CONCLUSES 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 pre-veno 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.

AGRADECIMENTOS Agradeo ao meu orientador, que proporcionou um ambiente de troca de experincias para meu crescimento pessoal e profissional, ao co-orientador Prof. Mrcio Rodrigo de Arajo Souza presente durante a maior parte de meus estudos e que contribuiu igualmente para meu desenvolvimento na obteno de melhores resultados e tambm aos meus colegas de trabalho Marcelo, Rodrigo e Lorena pelo apoio em todos os momentos. Agradeo a FA-CEPE e CNPq pelo apoio financeiro. Por fim, agradeo ao Departamento de Engenharia Mecnica (DEMEC) e a UFPE pela oportunidade.

REFERNCIAS 1. Heitsch, M., Baraldi, D., Moretto, P., Numerical Analisis of Accidental Hydrogen Re-

lease in a Laboratory, 2010. 2. ANSYS-CFX, http://www.ansys.com/products/fluid-dynamics/cfx/ .