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A three-dimensional two-phase model for flow, transport and mass transfer processes in sewers
Teuber, Katharina
Sewer networks are one major pillar of modern cities’ infrastructure. Their functionality ensures the transport of wastewater to the sewage treatment plant and the transport of rainwater from residential areas. Damages to sewers cause infiltration and exfiltration and at the same time high costs for rehabilitation. The formation of hydrogen sulphide (H2S) represents a risk factor for the conditions of concrete channels. Its emission cannot only cause the destruction of sewer walls by concrete corrosion, but can also represent a safety risk for sewer workers. Within the last decades, the characteristics of H2S emissions were intensively investigated and various models for predicting odour and corrosion were developed. The current state of the art are one-dimensional model approaches. At the same time, some predominant processes, e.g. the flow velocities in the air phase, are three-dimensional, and H2S emissions are very relevant on locations with high turbulence and complex flow fields (e.g. drops).
This work continues at this point. It investigates and extends a three-dimensional twophase model with regard to different aspects. For this purpose the two-phase solver interFoam of the software OpenFOAM is used. Initially, the hydrodynamic properties for different models in closed conduits are investigated by analysing hydrodynamic properties for different models in closed cross sections. The analysis begins with the simulation of a simple single-phase water flow over a ground sill and is then extended to a highly complex sewer geometry. The complex sewer network geometry is compared with results of a 1:20 scale model and existing CFD simulations for an open geometry. The results show a good agreement. Extensions are based on the description of mass transfer using the Henry coefficient. Furthermore, adjustments are made to improve the specifics of H2S emissions in sewers. These include the description of the temperature dependency of the Henry coefficient, the equilibrium between H2S and the bisulphide ion (HS-) in the water phase and the influence of the pH value on this equilibrium. An additional extension describes the concentration of H2S in the air phase as partial pressure. The extensions and adaptations are validated using different analytical examples and the advantages of using a three-dimensional model over a one-dimensional approach are demonstrated using the example of the complex sewer geometry. Finally, the extended solver is coupled with a solver for dynamic geometries to validate the simulated mass transfer under turbulent conditions. The comparison of simulation results for mass transfer in a stirring tank with different stirring rates leads to a good agreement with experimental results from laboratory experiments.
This work results in two new solvers, the difference of which lies in the geometry to be described. The first solver can be applied to static meshes, while the second solver can describe dynamic meshes, such as rotating geometries.
Kanalnetze stellen eine wichtige Säule in der Infrastruktur moderner Städte dar. Ihre Funktionsfähigkeit sichert den Transport von Abwasser zur Kläranlage und den Transport von Regenwasser aus Siedlungsgebieten. Schäden an Kanälen können zu In- und Exfiltrationen und gleichzeitig hohen Instandsetzungskosten führen. Einen Risikofaktor für den Zustand von Betonkanälen stellen Umwandlungsprozesse von Schwefelwasserstoff (H2S) dar. Ihre Emission kann nicht nur Kanalwände durch Betonkorrosion zerstören, sondern auch ein Sicherheitsrisiko für Kanalarbeiter*innen darstellen. Innerhalb der letzten Dekaden wurden H2S Emissionen intensiv erforscht und verschiedenste Modelle zur Vorhersage von Geruch und Korrosion entwickelt. Der aktuelle Stand der Technik sind eindimensionalle Modellansätze. Gleichzeitig sind einige vorherrschende Prozesse, beispielsweise die Fließgeschwindigkeiten in der Luftphase, dreidimensional und H2S Emissionen spielen eine besondere Rolle an Stellen mit hoher Turbulenz und komplexen Strömungsfeldern (z.B. Abstürze).
Diese Arbeit setzt an diesem Punkt an und untersucht und erweitert ein dreidimensionales Zweiphasenmodell hinsichtlich unterschiedlicher Aspekte. Hierfür wird der Zweiphasen- Löser interFoam der Software OpenFOAM verwendet. In einem ersten Schritt werden die hydrodynamischen Eigenschaften für unterschiedliche Modelle in geschlossenen Querschnitten untersucht. Die Testfälle beginnen bei der einfachen Simulation einer Einphasen-Wasserströmung über eine Schwelle und werden dann hin zu einer hochkomplexen Kanalnetzgeometrie erweitert. Die Ergebnisse der Simulationen werden mit experimentellen Ergebnissen und analytischen Lösungen verglichen. Die komplexe Kanalnetzgeometrie wird mit Ergebnissen eines im Verhältnis 1:20 gebauten Modellversuchs und mit existierenden CFDSimulationen für eine offene Geometrie verglichen, und die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung. Es werden Transport-und Massentransferprozesse anhand verschiedener Beispiele untersucht, wozu vorhandene Erweiterungen des Lösers verwendet werden. Diese Erweiterungen basieren auf der Beschreibung von Massentransfer mittels des Henry- Koeffizienten. Es werden Anpassungen vorgenommen, um H2S Emissionen im Kanal besser beschreiben zu können. Diese umfassen die Beschreibung der Temperaturabhängigkeit des Henry-Koeffizienten sowie das Gleichgewicht zwischen H2S und dem Hydrogensulfid- Anion (HS-) in der Wasserphase und den Einfluss des pH Wertes auf dieses Gleichgewicht. Eine zusätzliche Erweiterung beschreibt die Konzentration von H2S in der Luftphase als Partialdruck. Die Erweiterungen und Anpassungen werden anhand unterschiedlicher analytischer Beispiele validiert, und es werden die Vorteile der Anwendung eines dreidimensionalen Modells gegenüber eines eindimensionalen Ansatzes wird am Beispiel der komplexen Kanalgeometrie gezeigt. Zuletzt wird der erweiterte Löser mit einem Löser für dynamische Geometrien gekoppelt, um den simulierten Massentransfer unter turbulenten Bedingungen zu validieren. Der Vergleich von Simulationsergebnissen für Massentransfer in einem Rührbehälter mit unterschiedlichen Rührgeschwindigkeiten führt zu einer guten Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen aus Laborversuchen.
Insgesamt resultieren aus der Arbeit zwei neue Löser, deren Unterschied in der zu beschreibenden Geometrie liegt. Der erste Löser kann im Bereich von statischen Netzen angewandt werden, während der zweite Löser dynamische Geometrien, wie zum Beispiel die Bewegung von Rotoren, beschreiben kann.
