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Main Title: Numerische und experimentelle Untersuchung der ein- und zweiphasigen Strömung in einem technisch belüfteten Abwasserteich
Translated Title: Numerical and experimental investigation of the one- and two-phase flow in an aerated wastewater pond
Author(s): Steinmann, Alexander
Advisor(s): Siekmann, Helmut E.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In dieser Arbeit handelt es sich um die numerische und experimentelle Untersuchung der ein- und zweiphasigen Strömung in einem technisch belüfteten Abwasserteich. Die Untersuchungen sind im Rahmen des von der Technischen Universität Berlin geförderten Interdisziplinären Forschungsprojekts IFP 6/21 Mit Wind- und Solarenergie belüftete Abwasserteiche durchgeführt worden. Dabei wird ein teilgetauchtes Druckbelüftungssystem in einem vormals mit Schadstoffen überlasteten, natürlich belüfteten Abwasserteich für 80 Einwohner in Groß-Flotow (Landkreis Waren an der Müritz) während einer 18-monatigen Testphase eingesetzt. Das mit diskontinuierlichem Energieangebot aus Wind und Sonne betriebene Druckbelüftungssystem besteht aus kommerziellen Komponenten, im wesentlichen aus einem Seitenkanalverdichter und Membranrohrbelüftern, die an Bojen befestigt sind. Das Kennfeld und die Sauerstoffzufuhr bzw. der Sauerstoffertrag des Druckbelüftungssystems werden experimentell untersucht. Es zeigt sich ein relativ weiter Betriebsbereich mit relativ hohem Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters und relativ hohem Gütegrad des Belüftungssystems. Weiterhin zeichnet sich das teilgetauchte Belüftungssystem durch hohe Betriebssicherheit und Mobilität aus. Durch die Druckbelüftung entsteht eine zweiphasige Strömung im Abwasserteich. Die zweiphasige Strömung ist gekennzeichnet durch den Luftblasenaufstieg von ellipsoid verformten, spiralförmig pendelnd aufsteigenden Luftblasen (dB = 2,2 mm, äquivalent zu kugelförmigen Luftblasen) im Luftblasenschwarm. Der Luftblasenaufstieg induziert eine Wasserströmung. Die strömungsrelevanten Kennzahlen betragen ReB = 700, Eo = 0,65 und a = 0,00...0,15. Die zweiphasige Strömung wird numerisch mit Hilfe des EULER-LAGRANGE- und des EULER-EULER-Zweiphasenmodells untersucht. Dabei kommen die kommerziellen Software-Programme (Finite-Volumen-Methoden) STAR-CD und CFX 4.4 zur Anwendung. Das EULER-LAGRANGE-Modell wird um Aspekte der Luftblasenschwarm- und Turbulenzmodellierung modifiziert und erweitert. Für die Modellierung der Stoffübertragung von Sauerstoff aus den Luftblasen in das Wasser ist das Penetrationsmodell für Luftblasenschwärme in die Software implementiert worden. Die numerischen Untersuchungen werden mit zwei Gittern, welche die Teilbereiche der Druckbelüftung im Abwasserteich darstellen, und jeweils zwei Betriebszuständen (gekennzeichnet durch zwei Luftvolmenströme) durchgeführt. Die vor allem bei Anwendung des EULER-LAGRANGE-Modells auftretenden relativ hohen Rechenzeiten sind durch die Bildung von sog. Luftblasengruppen bei nur relativ geringfügig abweichenden Ergebnissen erheblich reduziert worden. Um die numerisch gewonnenen Ergebnisse zu validieren, werden die beiden laseroptischen Strömungs-Geschwindigkeitsmeßverfahren Laser-DOPPLER Velocimetry und Particle-Image Velocimetry angewendet. Hierzu dient ein aquarienähnliches Versuchsbecken, das in guter Näherung den numerischen Gittern entspricht und in dem die beiden Luftvolumenströme realisiert werden, bei denen die numerischen Untersuchungen durchgeführt werden. Mit der Laser-DOPPLER Velocimetry sind die Geschwindigkeiten der Phase Wasser gemessen worden. Bei der Anwendung der Particle-Image Velocimetry ist durch Geschwindigkeits-Filterung nach der Durchführung einer ersten Kreuzkorrelation der Doppelaufnahmen eine Phasentrennung von Wasser und Luft (Luftblasen) erreicht worden, so daß beide Geschwindigkeitsfelder bestimmt sind. In Anbetracht der Komplexität der untersuchten zweiphasigen Strömung ist die Übereinstimmung von numerisch und experimentell gewonnenen Ergebnissen, sowohl hinsichtlich der Wiedergabe einiger physikalischer Phänomene als auch hinsichtlich der Geschwindigkeitsbeträge, im ingenieurwissenschaftlichen Rahmen zufriedenstellend. Der Abwasserteich wird zum einen für den Fall der natürlichen Belüftung und zum anderen für den Fall der technischen Belüftung numerisch untersucht. Bei der Strömung im technisch belüfteten Abwasserteich handelt es sich um die durch Zu- und Ablauf beeinflußte Durchströmung und die belüftungsinduzierte Zirkulationsströmung. Für die Berücksichtigung der Zirkulationsströmung ist eine Black-Box-Modellierung, die im wesentlichen aus der Übertragung von den EULER-LAGRANGE-Ergebnissen auf den Abwasserteich besteht, vorgenommen worden. Bei dem natürlich belüfteten Abwasserteich kommt es aufgrund der Kurzschlußströmung zu unerwünscht geringen Verweilzeiten im Abwasserteich. Für den technisch belüfteten Abwasserteich zeigt sich, daß es durch das im Verhältnis zum Belüftungsvolumen große Abwasserteichvolumen relativ lange dauert, bis sich im Abwasserteich ein stationäres Geschwindigkeitsfeld einstellt. Weiterhin ist die durch die zweiphasige Strömung induzierte Strömungsgeschwindigkeit im Abwasserteich drei Zehnerpotenzen höher als die eigentliche Durchströmgeschwindigkeit. Daraus folgt, daß der zugeführte Abwasservolumenstrom nur einen geringen und der Luftvolumenstrom der Belüftung einen hohen Einfluß auf das Geschwindigkeits- und Sauerstoffmassenkonzentrations-Feld im Abwasserteich besitzt. Es wird gezeigt, daß die Strömungsgeschwindigkeiten unter den Membranrohrbelüftern relativ gering sind, sodaß keine Gefahr von unerwünschter Schlammaufwirbelung von der Teichsohle besteht. Die Arbeit endet mit einem Ausblick, der sich im wesentlichen auf die Untersuchung der zweiphasigen Strömung bezieht. Sowohl weiterführende numerische Methoden für die Luftblasenentstehung und die Berücksichtigung der freien Wasseroberfläche als auch weiterführende experimentelle Methoden für eine sicherere Detektion der Phasengrenzfläche Luftblasen-Wasser, um die Meßunsicherheiten der laseroptischen Meßverfahren zu reduzieren, werden vorgeschlagen.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-4194
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/814
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-517
Exam Date: 27-Aug-2002
Issue Date: 21-Jan-2003
Date Available: 21-Jan-2003
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Euler-Euler
Euler-Lagrange
LDV
Luftblasen-Strömung
PIV
Zweiphasenströmung
Bubble-flow
Euler-Euler
Euler-Lagrange
LDV
PIV
Two-phase flow
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