Physikalische und numerische Simulation von Stauraumkanälen mit unten liegender Entlastung

Reuber, Jens; Köngeter, Jürgen

doi:869

Physikalische und numerische Simulation von Stauraumkanälen mit unten liegender Entlastung

Reuber, Jens (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jens Reuber

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangXV, 149 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Köngeter, Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-06-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-8690
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/53030/files/Reuber_Jens.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Bauingenieurwesen (300000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mischkanalisation (Genormte SW) ; Kanalstauraum (Genormte SW) ; Fluid-Feststoff-Strömung (Genormte SW) ; Stoffübertragung (Genormte SW) ; Numerisches Verfahren (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Mischwasserkanalisation (frei) ; Stauraumkanal (frei) ; mathematisch-numerische Simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Stauraumkanäle mit unten liegender Entlastung (SKU) bieten aufgrund ihrer Bauart gegenüber anderen Mischwasserspeichern das Potential einer effektiven Verbesserung der Mischwasserqualität während eines Entlastungsereignisses in einen nachgeschalteten Vorfluter. Die anzustrebende Zielvorgabe ist dabei die Realisierung einer ökologisch und ökonomisch optimierten Bemessung. Deshalb ist eine genaue Kenntnis der äußerst komplexen internen Strömungs- und Stofftransportprozesse erforderlich, um mittels mathematisch-numerischer Simulationen Vorhersagen bezüglich der Wirkungsweise und Absetzleistung eines SKU erstellen zu können. Ein detaillierter Einblick in diese Prozesse wurde im Rahmen der vorliegenden Dissertation realisiert, indem umfangreiche Feststoffuntersuchungen in Laborversuchen sowie Strömungs- und Stofftransportmessungen anhand eines physikalischen Modelles eines SKU durchgeführt wurden. Aufbauend auf diese Untersuchungen wurden anschließend die internen SKU-Prozesse mittels mathematisch-numerischer Modelle simuliert. Dazu wurden unter Einsatz des in dieser Arbeit weiterentwickelten und optimierten Meßverfahrens der Digital Particle Image Velocimetry (DPIV) erstmals die zweidimensionalen Strömungsfelder für ein instationäres Zuflußereignis in einem SKU-Labormodell detailliert erfaßt. So konnten die Strömungsstrukturen des Füllungs- und Entleerungsprozesses ermittelt und eingehend beurteilt werden. Durch die Berechnung der Sohlschubspannung aus DPIV-Meßergebnissen konnte darüber hinaus der Einfluß der Strömung auf Sedimentations- und Resuspensionsmechanismen bestimmt werden. Als Ergebnis daraus ergibt sich, daß kurzzeitig auftretende Spannungsspitzen zu massiven Resuspensionserscheinungen führen können, obwohl die kritische Sohlschubspannung für Erosion im zeitlichen Mittel nicht erreicht wird. Ausgehend von den Strömungsuntersuchungen wurde der Feststofftransport in einem physikalischen Labormodell simuliert. Die Versuchsergebnisse zeigen, daß die grundsätzlich unterschiedlichen Resuspensionsmechanismen Erosion und Entrainment zeitgleich in einem SKU auftreten können. Neben dem Prozeß der Sedimentation beeinflussen sie nachhaltig das für eine effektive Reinigungsleistung erforderliche Konzentrationsprofil der suspendierten Feststoffe in der Wassersäule. Die dazu durchgeführte meßtechnische Erfassung der Entwicklung eines Konzentrationsprofiles erlaubte in Zusammenhang mit einer Stoffmengenbilanzierung eine umfangreiche Analyse der komplexen internen Stofftransportprozesse. Aufbauend auf den vorangegangenen Untersuchungen wurden zwei mathematisch-numerische Modelle zur Simulation der internen Strömungs- und Stofftransportprozesse auf die Anforderungen in einem SKU angepaßt. Ihre Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Somit bleibt festzuhalten, daß die verwendeten Ansätze zur Simulation des Feststofftransportes in Verbindung mit den Transportmechanismen Sedimentation und Erosion eine effiziente Abschätzung der Wirkungsweise und damit der Reinigungsleistung eines SKU erlauben. Mit den hier vorgestellten Ergebnissen besteht damit erstmals die Möglichkeit, interne Prozesse in SKU realistisch zu simulieren, so daß als Ergänzung zur derzeitigen Bemessungspraxis zukünftig eine optimale Dimensionierung von SKU möglich ist.

Deterring the waste in the sewerage system and preventing water pollution during storm water events is the task of Combined Sewer Detention Tanks (CSDT). CSDTs are components of combined sewerage systems, the most-used sewerage-system in Germany. The aim is to realise an ecological en economical optimised dimension of CSDTs. A lack of knowledge of the hydrodynamic processes in these structures forces the planning engineer to apply more conceptional approaches in the simulation of pollutant transport In the frame of this thesis a detailed view into these processes could be realised. Experimental investigations were conducted on different synthetic materials simulating the waste. Subsequently the chosen material was examined concerning its sedimentational and erosional behaviour. Based on experiences with unsteady flow, the investigations on the chosen material at the CSDT were concentrated on an intransient and time dependent discharge simulating a real precipitation event in a laboratory scale model. The results of these laboratory studies are used to calibrate a three-dimensional hydrodynamic numerical model, which is adapted to the demands of this special kind of internal flow- and transport processes in a CSDT. The used approaches to simulate the transport phenomena are principally able to appreciate te efficiency of a CSDT. Internal processes can be simulated to supply the present method of dimensioning.

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