Rubrik Wasser / Abwasser

CFD-Simulationen in der Abwasserindustrie: Brückenschlag zwischen Theorie und Praxis

12.08.2024 – Lesezeit ca. 5 Minuten 79

Das Gebiet der Strömungsmechanik ist ein komplexes Netzwerk aus Physik, mathematischen Modellen und realen Anwendungen. In der Wasser- und Abwasserindustrie ist das Verständnis dieser Strömungsdynamik nicht nur eine wissenschaftliche Übung, sondern eine Notwendigkeit. Hier kommt Computational Fluid Dynamics (CFD) ins Spiel – ein entscheidendes Werkzeug, das die Art und Weise, wie wir reale Probleme der Strömungsmechanik lösen, revolutioniert hat.

Die Ursprünge von INVENTs CFD-Reise

In den 1990er Jahren leitete die Gründung der INVENT durch Dr.-Ing. Marcus Höfken die rigorose Anwendung der Strömungsmechanik in der Abwasserbehandlung ein. Mit Wurzeln am Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen-Nürnberg unter der Leitung von Professor Dr. Franz Durst entstand INVENT aus einer echten Leidenschaft für Strömungsmechanik, kombiniert mit einem streng wissenschaftlichen Ansatz.

Schon in den Anfangsjahren erkannte man bei INVENT das Potenzial der CFD-Simulationen und nutzte diese in Zusammenarbeit mit Hochschulen. Das Unternehmen gründete bald darauf eine eigene CFD-Abteilung, die sich rasch ausschließlich der Komplexität der Wasserund Abwasserbehandlung widmete. Von der Modellierung von Rührwerken mit detaillierter CAD-Geometrie bis zu Multiphasen-Simulationen für belüftete Becken war INVENT an vorderster Front tätig, indem es geltende Konventionen in Frage stellte und Standards anhob.

CFD in der Abwasserbehandlung: Brückenschlag zwischen Theorie und Praxis

Aber was ist CFD? Im Kern ist Computational Fluid Dynamics (CFD) die Verwendung angewandter Mathematik, Physik und computergestützter Software, um Strömungen zu modellieren und zu visualisieren.

Es gibt viele Beispiele: Belüftete Becken erfordern beispielsweise Multiphasen-Simulationen, welche dabei helfen können, die Standard-Sauerstoffübertragungsrate (SOTR), eine entscheidende Metrik in der biologischen Abwasserbehandlung, vorherzusagen. Oder die Bewegung und das Verhalten suspendierter Feststoffe und aktiven Schlamms zu verstehen. CFD hilft bei der Modellierung dieser Phänomene und bietet Einblicke in Partikelbahnen, Absetzmuster und mehr.

Darüber hinaus können in gerührten Behältern oder in Pumpstationen die Effekte an der Wasseroberfläche, die oft durch turbulentes Verhalten gekennzeichnet sind und zur Bildung von Wirbeln führen, komplex sein. CFD-Simulationen unterstützen Ingenieure dabei, diese Oberflächeneffekte zu modellieren sowie Behandlungsprozesse zu entwerfen und zu optimieren.

Mit zunehmender Vertiefung in die Modellierung der Abwasserbehandlung werden bestimmte Merkmale und Techniken unverzichtbar. Die Gründe sind:

1. Turbo-Gebläse: Die genaue Auslegung der Turbo-Gebläse ist von entscheidender Bedeutung. In Kläranlagen spielen diese eine zentrale Rolle, um eine effiziente Zirkulation und Suspension von Feststoffen sicherzustellen. Eine genaue Auslegung gewährleistet eine zuverlässige Darstellung des realen Gebläsebetriebs.
2. Multiphasen-Simulation für Belüftung: Belüftung ist entscheidend für die biologischen Oxidationsprozesse der biologischen Abwasserreinigung. Das Verständnis komplexer Phänomene wie Blasendynamik ist entscheidend. Faktoren wie Blasenzerfall, ihre eventuelle Koaleszenz und der Massentransfer sind entscheidend, um die Sauerstoffübertragungsrate zuverlässig vorherzusagen.
3. Transport von Schlammflocken: Schlammflocken oder aggregierte Partikel erfordern ebenfalls weitere Untersuchungen und sorgfältige Modellierung. Bei MultiphasenSimulationen für ihren Transport kommt ein komplexer Faktor ins Spiel: das Fließverhalten. Mit zunehmender Konzentration dieser Flocken weicht das Verhalten der Flüssigkeit von der newtonschen Idee ab und übernimmt Eigenschaften nichtnewtonscher Fluide. Diese Veränderung im Flüssigkeitsverhalten, gepaart mit Flockungseffekten – bei denen Partikel zusammenkommen, um größere Flocken zu bilden – macht den Modellierungsprozess noch komplexer.

Eine bedeutende Herausforderung bleibt jedoch bestehen. Das Verhalten von biologischen Verbindungen im Abwasser kann nicht explizit innerhalb der Gleichungen der Strömungsmechanik modelliert werden. Hier spielt der numerisch-empirische Ansatz eine wesentliche Rolle. Durch die Verbindung von Theorie mit empirischen Daten stellen wir genaue Ergebnisse sicher, die auf realen Beobachtungen und Validierungen basieren.

Die potenziellen Anwendungen von CFD in diesem Bereich sind vielfältig und erstrecken sich über Siebanlagen, hydraulische Dynamik, Wasserverteilung und darüber hinaus. Man denke an anoxische Tanks, Klärbecken, Oxidationsgräben, anaerobe Faulbehälter – CFD kann alles abdecken.

Instrumente und Zusammenarbeit

INVENT ist in Sachen CFD-Technologie immer auf dem neuesten Stand. Die Software MSTAR, mit seinem Lattice-Boltzmann-Ansatz zur Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen, bietet fortschrittliche Turbulenzmodellierungstechniken wie Large Eddy Simulation. Es sind zeitgenaue dynamische Simulationen möglich und bieten einen beispiellosen Einblick in turbulente Phänomene.

Turbulenz ist schließlich entscheidend für das Rühren. Je genauer Turbulenzen modelliert werden, desto besser sind die Vorhersagen im Zusammenhang mit der Vermischung, einem Eckpfeiler in den Prozessen der Abwasserbehandlung.

Dennoch liegt die eigentliche Stärke der CFD-Abteilung von INVENT nicht nur in ihren überlegenen Software- und Hardware-Tools, sondern auch in ihrem anhaltenden Bestreben nach numerischer Validierung. Durch kontinuierlichen Vergleich von Simulationsergebnissen mit experimentellen Daten, entweder in Zusammenarbeit mit Hochschulen oder durch VorOrt-Experimente in Kläranlagen, stellt INVENT die Präzision ihrer CFD-Simulationen sicher. Die beste CFD ist weit mehr als eine Simulation, sie beinhaltet auch kontinuierliche experimentelle Validierungen und Kalibrierungen unter Verwendung eines numerisch-empirischen Ansatzes.

Fazit

In einer Welt, in der Präzision zählt, ist der Einsatz von CFD in der Wasser- und Abwasserbehandlung kein Luxus, sondern eine Notwendigkeit. Die Branche fordert nachhaltigere und effizientere Lösungen, so dass die Brücke zwischen theoretischen Simulationen und experimentellen Validierungen noch entscheidender wird. INVENT wird diesen Weg weiterhin gehen und die komplexen Daten der Wasser- und Abwasserbranche simulieren.

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