Anwendung der numerischen Modellierung zur Optimierung eines Speicherbauwerks

Zusammenfassung

Trinkwasserbehälter sind meist ein wichtiger Teil der Wasserversorgung und dienen als Wasserspeicher und Druckhaltefunktion. An die Wasserbehälter werden aufgrund ihrer Funktion in der Wasserversorgung als auch aufgrund unterschiedlicher Wasserqualitäten meist gezielte Anforderungen gestellt. Um eine gleichbleibend hohe Wasserqualität sicher zu stellen, muss darauf geachtet werden, dass sich die Beschaffenheit der Wasserkammern nicht negativ auf das Speichermedium auswirkt. Ein unzureichender Wasseraustausch und eine zu lange Verweildauer des Wassers im Behälter können zu Verkeimungen führen. Bei rechteckigen Behälterformen können Bereiche auftreten, in denen Totzonen entstehen. Durch die Kenntnis von Schwachstellen bei Trinkwasserbehältern können bei notwendigen Sanierungsmaßnahmen gezielt Schritte zur Verbesserung unternommen werden. Falls keine baulichen Veränderungen möglich sind, kann einer drohenden Verkeimung oftmals durch eine Optimierung des Strömungsverhaltens entgegengewirkt werden.

In der vorliegenden Arbeit kann nicht in vollem Umfang auf die Grundlagen von Planung, Bau und Sanierung von Trinkwasserbehältern eingegangen werden, daher wurde der Fokus der Beschreibung auf die Optimierung der Strömungseigenschaften mithilfe einer numerischen Simulation gelegt. Grundsätzlich müssen unterschiedliche Anforderungen eines Wasserbehälters berücksichtigt werden. Muss eine Sanierung durchgeführt werden, stehen Sanierungsmethoden zur Verfügung, die von der statischen Ertüchtigung über Oberflächensanierung bis hin zu Verbesserung von Be- und Entlüftungseinrichtungen reichen. Eine große Bandbreite gibt es zusätzlich bei der Möglichkeit der Verbesserung der Oberflächen. In dieser Arbeit wurde eine Behälterkammer mit einem Speichervolumen von ca. 12.000 m³ mithilfe einer numerischen Simulation auf die bestehenden Strömungseigenschaften überprüft. Dazu wurde mit einem Computational Fluid Dynamics (CFD)-Code ein numerisches Modell des Trinkwasserbehälters erstellt und betrieben. Es wurden drei Szenarien mit unterschiedlichen Einlaufsystemen definiert und eine Simulation durchgeführt. Es wurden weiters die hydraulischen Prozesse in einem Trinkwasserbehälter dargestellt.

Die Simulationsergebnisse verdeutlichen den Einfluss des Einlaufimpulses und die Strömung. Mit zunehmendem Einlaufimpuls verstärkt sich die Einmischung des Umgebungsfluids in den Einlaufstrahl, woraus eine hohe Durchmischung des Trinkwassers in der näheren Umgebung des Strahls resultiert. Große Auswirkungen hatten die unterschiedlichen Anordnungen der Einlaufrohre. Der bestehende Behälter hat Einlaufrohre, die vertikal in den Behälter führen. Bei dieser Anordnung wird der Impuls vom Behälterboden stark minimiert. Die beiden anderen betrachteten Systeme hatten eine horizontale Führung des Einlaufs. Neben dem Einlaufbereich konnten auch andere Bereiche des Trinkwasserbehälters dargestellt werden. Es stellte sich heraus, dass in den Ecken der rechteckig angeordneten Leitwände ortsfeste Strömungen auftraten. Die Besonderheit des Behälters lag in kleinen bodennahen Durchbrüchen in den Leitwänden, die zur Reinigung dienen. Durch die Simulation konnte gezeigt werden, dass sie einen Einfluss auf die Gestaltung der Strömung haben.

Auf Grundlage der durchgeführten Simulation und der daraus gewonnen Erkenntnisse konnten Empfehlungen für eine konstruktive Umgestaltung und Optimierung bei der notwendigen Sanierung des Behälters ausgesprochen werden.

Abstract

Drinking water reservoirs are usually an important part of the water supply system and fulfill both storage and pressure-regulating functions. Due to their role in supply systems and differences in water quality, reservoirs are often subject to individual specifications. To guarantee consistent water quality, it is essential to ensure that the geometry of the storage chambers doesn’t have a negative effect on stored water. Insufficient flow velocity and long retention times can lead to microbial contamination; in addition, rectangular storage structures can be subject to “dead zones.” Understanding the potential weaknesses of drinking water reservoirs means that, when renovations become necessary, focused measures can be taken. In cases where structural changes are not an option, the risk of microbial contamination can be avoided by optimizing water flow.

Since comprehensively addressing the principles of planning, constructing and renovating water reservoirs would have gone beyond the scope of this study, it instead focuses on improving the flow characteristics using a numerical model. Fundamentally speaking, the individual specifications of each reservoir have to be taken into account. When renovation work is necessary, various options are available, from static reinforcement and surface renovations to improving the ventilation systems. In addition, various options are available for improving the surfaces coating. This study uses numerical simulation to investigate the flow characteristics of a storage chamber with a volume of ca. 12,000 m3. Hence, a numerical model of the reservoir is created and implemented on the basis of computational fluid dynamics (CFD) code. Three scenarios with different inlet systems are defined and simulated, and the hydraulic processes at work in water reservoirs are described.

The results clearly demonstrate the influence of inlet pressure and flow. With increasing inlet pressure, the interaction of the surrounding fluid with the inflow stream also increases, which results in greater mixing of the water in the vicinity of the stream. The various inlet-pipe configurations also have a significant influence. The reservoir examined here employs vertical inlet pipes, a configuration that minimizes pressure from the bottom of the reservoir chamber. The other two systems studied use horizontal inlets. In addition to the inlet area, other areas are also simulated. Small openings close to the bottom of the walls, which are used for cleaning purposes, are a distinguishing feature of the structure. The simulation also demonstrates that these openings affect the flow.

Lastly, this simulation and the insights it provides are used to formulate recommendations for structural changes and optimization measures, which can be made in the course of necessary reservoir rehabilitation.