Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung innovativer Softwaretools zur Simulation der Ausbreitung gasförmiger Gefahrstoffe in industrieller Umgebung

Im Bereich Anlagensicherheit führen KMU als Dienstleister Ausbreitungsrechnungen und Gefährdungsbeurteilungen für gefahrstoffführende Anlagen durch. Etablierte Berechnungsverfahren werden von KMU in Softwaretools umgesetzt, bilden aber die Wirkung von Einzelhindernissen im Ausbreitungsgebiet nicht adäquat ab. Immissionsprognosen wurden im Sinne konservativer Abschätzungen mit Sicherheitsaufschlägen versehen, die u.a. zu Problemen in Genehmigungsverfahren führen. Eine Verbesserung der Prognosegüte wird durch die in aktualisierten VDI-Richtlinien vorgesehene Verwendung komplexerer Modelle möglich. Allerdings werden KMU ohne Forschungsunterstützung zukünftig kaum mehr eigenständig richtlinienkonforme Simulationswerkzeuge entwickeln können. Es fehlt eine anwendungsspezifisch validierte Modellplattform als Basis für KMU Softwareentwicklungen und -anwendungen.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Validierung spezieller Softwarebausteine für die Simulation der Gefahrstoffausbreitung im Nahfeld komplexer Industrieanlagen im OpenSource-Framework OpenFOAM. Die Bausteine sollen es KMU ermöglichen, auch zukünftig richtlinienkonforme, eigene Softwarewerkzeuge entwickeln, verlässlich anwenden und vertreiben zu können. Es wird der aufwändigste Entwicklungsschritt, die Bereitstellung eines anwendungsspezifisch validierten Strömungs- und Ausbreitungsmodells, von einem Konsortium im Projekt realisiert.

KMU können mit den zu entwickelnden Softwarewerkzeugen komplexe Ausbreitungsberechnungen als erschwingliche Dienstleistung anbieten und zusätzlich eigene innovative Anwendersoftware entwickeln. Die Nutzung OpenSource-basierter Software wird zur breiteren Anwendung zeitgemäßer Softwarewerkzeuge für die Ausbreitungssimulation bei Störfallauswirkungsbetrachtungen beitragen. Verlässliche dreidimensionale Ausbreitungsprognosen werden realistischere Gefährdungsbeurteilungen ermöglichen und zur ökonomisch sinnvollen Umsetzung sicherer, genehmigungsfähiger Industrieanlagen beitragen.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurden auf der Basis der verfügbaren "open source CFD" Software OpenFOAM anwendungsspezifische Modelle bzw. Software für die Simulation von Gefahrstoff-Ausbreitungsvorgängen in bebauter/industrieller Umgebung entwickelt und durch Vergleich mit ebenfalls im Projekt generierten Referenzdatensätzen aus Modellversuchen in einem Grenzschichtwindkanal anwendungsbezogen quantitativ validiert.

Die Modelle gestatten sowohl die effiziente Simulation von Strömungs- und Ausbreitungsprozessen im zeitlichen Mittel (RANS-basiert), als auch die wirbel- bzw. turbulenzauflösende Simulation von Transportprozessen (LES-basiert). Für typische Probleme im Zusammenhang mit der numerischen Simulation des wandnahen turbulenten Transportes in den bodennahen Luftschichten der Atmosphäre, wie zum Beispiel die Simulation naturähnlicher bodennaher Windströmungen oder die Simulation schwerebeeinflusster Ausbreitungsvorgänge, wurden praxistaugliche Lösungen entwickelt und in frei verfügbare Softwaretools implementiert. In systematischen Modellversuchen in einem Grenzschichtwindkanal wurden unter naturähnlichen Wind- und Turbulenzverhältnissen zur quantitativen Validierung entsprechender numerischer Modelle qualifizierte, systematische Referenzdatensätze für Ausbreitungsszenarien in komplex bebauter Umgebung und in horizontal homogener Rauigkeit erzeugt.

Zielgruppen für die im Projekt erfolgreich entwickelten und anwendungsbezogen validierten Softwarebausteine sind u.a. Betreiber von Anlagen mit gasförmigen Gefahrstoffen, mit der Erstellung von Gefährdungsbeurteilungen oder Sicherheitsberichten befasste Ingenieurbüros, Sachverständigenbüros und Prüforganisationen sowie Berufsverbände mit Problemstellungen im Bereich der Anlagensicherheit oder auch Softwareentwickler, die eigene Softwaretools für das Anlagen- und Störfallmanagement implementieren. Die generierten Referenzdatensätze stehen auch für die anwendungsbezogene Validierung anderer Softwaretools zur Verfügung.