Investigation of Transient Flow and Dispersion Phenomena Resulting from Possible Hazmat Releases at Research Facilities of CERN

Abstract

The dissertation delineates a comprehensive methodology for the development of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations of atmospheric boundary layer (ABL) flows pertinent to pollutant dispersion scenarios, specifically within the context of hazardous material (hazmat) releases at CERN research facilities. The optimal configuration of the computational domain was ascertained to be an octagonal shape with a medium diagonal of three kilometers and a height of 500 meters, which ensures a robust flow transition and mitigates backflow complications. Detailed modeling of terrain, edifices, and vegetation was identified as critical to high-fidelity simulation of turbulent structures. The relaxation of the domain boundaries, executed via CAD software or programming tools, proved to be effective in facilitating smooth flow transitions. Boundary conditions, encompassing velocity profiles, surface roughness parameters, and a combination of inlet and outlet conditions, were meticulously selected on the basis of meteorological data, regulatory standards, and flow characteristics to precisely define flow behavior and pollutant dispersion in simulations. The meshing strategy employed for the large-eddy simulations yielded favorable results, featuring a ground resolution of one meter and half a meter in areas of interest. The selection of modeling methods for pollutant dispersion is contingent on the nature of the pollutants, with the Lagrangian particle model recommended for larger pollutants and the species transport model for gaseous substances. The simulation approach should be chosen judiciously based on factors such as geometry preparation, meshing, temporal discretization, and consideration of atmospheric flow fluctuations during pollutant release. The outcomes derived from Gaussian Plume Models (GPMs) and LES for pollutant dispersion may be analogous for simplistic scenarios but can diverge significantly for more intricate release scenarios. GPMs are computationally expedient and advantageous for far-field assessments, whereas LES offers more realistic results for near-field or densely built environments. Sensitivity analysis of the boundary conditions revealed their direct impact on concentration values, with increased turbulence at the inlet and features such as arboreal elements in the geometry influencing plume dimensions and downstream concentrations. In general, the dissertation provides a thorough methodology for establishing CFD simulations of ABL flows for pollutant dispersion scenarios, incorporating considerations such as domain configuration, precise terrain and building modeling, meshing strategy, boundary conditions, and the selection of appropriate modeling techniques. The findings of this study enhance the understanding and prediction of pollutant dispersion in realistic scenarios, providing valuable insights for environmental assessments, emergency preparedness, and air quality management decision-making.

Die Dissertation beschreibt eine umfassende Methodik für die Entwicklung von Strömungssimulationen in der atmosphärischen Grenzschicht, die für Schadstoffausbreitungsszenarien, insbesondere im Zusammenhang mit der Freisetzung von Gefahrstoffen in CERN Forschungseinrichtungen, relevant sind. Die optimale Konfiguration des Rechengebiets wurde als achteckigen Form mit einer mittleren Diagonale von drei Kilometern und einer Höhe von 500 Metern bestimmt, die einen robusten Strömungsübergang gewährleistet und Komplikationen durch Rückströmung reduziert. Eine detaillierte Modellierung des Geländes, der Gebäude und der Vegetation hat sich als entscheidend für eine realitätsgetreue Simulation der turbulenten Strukturen herausgestellt. Die Anpassung der Ränder des Rechengebiets, die mit Hilfe von CAD-Software oder Programmiertools durchgeführt wurde, erwies sich als effektiv, um sanfte Strömungsübergänge zu ermöglichen. Die Randbedingungen und die Geschwindigkeitsprofile und die Kombination von Einlass- und Auslassrandbedingungen wurden auf der Grundlage meteorologischer Daten, gesetzlicher Normen und Strömungseigenschaften sorgfältig ausgewählt, um das Strömungsverhalten und die Schadstoffausbreitung in den Simulationen realitätsnah abzubilden. Die Auswahl der Modellierungsmethoden für die Schadstoffausbreitung hängt stark von der Art der Schadstoffe ab, wobei das Lagrangesche Partikelmodell für partikelförmige Feststoffe und das Speziestransportmodell für gasförmige Schadstoffe empfohlen wird. Der Simulationsansatz sollte auf der Grundlage von Faktoren wie Geometrievorbereitung, Vernetzung, zeitliche Diskretisierung und Berücksichtigung der atmosphärischen Strömungsschwankungen während der Schadstofffreisetzung mit Bedacht gewählt werden. Die Ergebnisse von Gaußschen Fahnenmodellen und Large Eddy Simulationen für die Schadstoffausbreitung können bei einfachen Szenarien ähnlich sein, bei komplizierteren Freisetzungsszenarien jedoch erheblich voneinander abweichen. Gaußsche Fahnenmodelle sind rechnerisch zweckmäßig und vorteilhaft für Fernfeldbewertungen, während LES realistischere Ergebnisse im Nahfeld oder in dicht bebauten Umgebungen liefert. Eine Sensitivitätsanalyse der Randbedingungen ergab, dass sich diese direkt auf die Konzentrationswerte und das betroffene Gebiet auswirken, wobei eine erhöhte Turbulenz am Einlass und baumartige Elemente in der Geometrie die Abmessungen der Abgasfahne und die stromabwärts gelegenen Konzentrationen beeinflussen. Generell bietet die Dissertation eine gründliche Methodik für die Erstellung von CFD-Simulationen von ABL-Strömungen für Schadstoffausbreitungsszenarien, die Überlegungen zur Domänenkonfiguration, zur präzisen Gelände- und Gebäudemodellierung, zur Vernetzungsstrategie, zu den Randbedingungen und zur Auswahl geeigneter Modellierungsmethoden einbezieht. Die Ergebnisse dieser Studie verbessern das Verständnis und die Vorhersage der Schadstoffausbreitung in realistischen Szenarien und liefern wertvolle Erkenntnisse für die Umweltbewertung, die Notfallvorsorge und die Entscheidungsfindung beim Luftqualitätsmanagement.