Smoothed Particle Hydrodynamics in Urban Water Management
Projekt: SPHASE - Smoothed Particle Hydrodynamics Activated Sludge Engine
Geldgeber: FWF - Der Wissenschaftsfonds
Projektleiter: Wolfgang RAUCH
Mitarbeiter: Michael MEISTER, Daniel WINKLER, Massoud REZAVAND
Partner: IWA Working Group on Computational Fluid Dynamics (CFD) for Unit Processes
Projektdauer: 01.06.2014 - 31.05.2018
Keywords: Water purification, Aerated flows, Fluid mechanics, Smoothed particle hydrodynamics, Numeric computation, Biological kinetics
Wissenschaftsdisziplinen:
- 40% 207 Umweltingenieurwesen, Angewandte Geowissenschaften
- 20% 102 Informatik
- 20% 105 Geowissenschaften
- 20% 201 Bauwesen
Kurzbeschreibung:
Die Forschung im Bereich der Abwasserreinigung basiert bis heute auf Modellversuchen im kleinen Maßstab. Aufgrund der Verbesserung der Rechenleistung gewann in den letzten beiden Jahren die computergestützte Modellierung enorm an Bedeutung. Das von Henze et al., 1987 entwickelte Aktivschlamm-Modell (ASM) wurde durch eine Vielzahl an Experimenten validiert und ist als etabliertes Modell zur Beschreibung von biochemischen Prozessen anerkannt. Allerdings geht dieses Konzept von einer vollständigen Durchmischung der Reaktoren aus und vernachlässigt damit den Einfluss der Hydrodynamik. Um diese unphysikalische Vereinfachung zu beheben, setzen einige Forschungsgruppen mittlerweile numerische Strömungssimulationen (CFD) ein, um die Hydrodynamik der Abwasserreinigung detailliert zu beschreiben (Le Moullec et al., 2010; Zima et al., 2009; Wang et al., 2010). Allerdings sind die zugrundeliegenden komplexen Mehrphasenströmungen nur schwer mit konventionellen gitterbasierten CFD Methoden zu lösen.
Im Rahmen des Projekts SPHASE wird eine numerische Modellierungsroutine für Aktivschlammsimulationen basierend auf der „Smoothed Particle Hydrodynamics“ Methode (SPH) entwickelt. Aufgrund der vollständigen Lagrangeschen Formulierung hat SPH im Vergleich zu konventionellen CFD Methoden wesentliche Vorteile für den Einsatz in der Abwasserreinigung. SPH erlaubt unmittelbar die Simulation von Mehrphasenströmungen (Colagrossi et al., 2003), kann die Zeitentwicklung von Prozessraten (Aristodemo et al., 2010) und Transportvorgänge (Tartakovsky et al., 2007) beschreiben. Weitere Vorteile finden sich in der einfacheren Beschreibung von Reaktorgeometrien, Belüftungssystemen, Änderungen in Betriebszuständen und einem direkteren Zugang zu GPU Implementierungen. Daher ist SPH die ideale Methode, um die Hydrodynamik der Abwasserreinigung zu simulieren. Das Konzept des Projekts SPHASE sieht die Entwicklung eines physikalisch vollständigen Zweiphasen SPH Modells vor, wobei die Zeitentwicklung der Sauerstoffkonzentration durch eine advektive Diffusionsgleichung beschrieben wird. Dann werden Berechnungsroutinen wichtiger physikalischer Parameter für biochemische Prozesse (z.B. der Sauerstofftransferrate) hinzugefügt. Der wesentliche Ansatz des Projekts ist dann die Kopplung zwischen der lokal aufgelösten Hydrodynamik und dem ASM Modell, wodurch lokale Einflüsse in den biochemischen Prozessen berücksichtigt werden. Dabei wird die Schnittstelle zur Kopplung in SPHASE über die gelöste Sauerstoffkonzentration (SO) hergestellt. Zusammenfassend ist SPHASE ein Grundlagenforschungsprojekt und hat zum Ziel, die SPH Methode so weiterzuentwickeln, dass biophysikalische Prozesse der Umwelttechnik mit einem speziellen Fokus auf die Abwasserreinigung simuliert werden können. In SPHASE wird SPH erstmalig in der Abwasserreinigung angewendet und kann daher als Methode in diesem Wissenschaftsgebiet etabliert werden. Das beantragte Projekt hat einen hochgradig innovativen Charakter und die Wichtigkeit reicht von den Wissenschaftsgebieten der Abwasserreinigung und Siedlungswasserwirtschaft bis zur Strömungslehre, Hydraulik und computergestützten Simulationen.
Dieses Forschungsprojekt wird finanziert vom österreichischen Wissenschaftsfond (FWF): Projekt [P26768-N28]
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