Zur Seitenansicht
 

Titelaufnahme

Titel
Smoothed particle hydrodynamics in urban water management / Michael Meister
VerfasserMeister, Michael
Begutachter / BegutachterinRauch, Wolfgang ; Tritthart, Michael
Betreuer / BetreuerinRauch, Wolfgang
Erschienen2015
UmfangXXXII, 212 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2015
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
Datum der AbgabeOktober 2015
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Abwasserreinigung / Computational Fluid Dynamics / Modellierung und Simulation / Siedlungswasserwirtschaft / Smoothed Particle Hydrodynamics Methode
Schlagwörter (EN)Wastewater Treatment / Computational Fluid Dynamics / Modelling and Simulation / Urban Water Management / Smoothed Particle Hydrodynamics Methode
Schlagwörter (GND)Siedlungswasserwirtschaft / Kanalisation / Smoothed Particle Hydrodynamics
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-3193 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
Dateien
Smoothed particle hydrodynamics in urban water management [46.92 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

In dieser Dissertation wird die neue Lagrange-Methode Smoothed Particle Hydrodynamics ( SPH ) erstmalig im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft ( SWW ) angewendet. Nach einer Einführung über SPH wird die Leistungsfähigkeit der Methode für Kanal- und Mehrphasenströmungen sowie für Abwasserreinigungssimulationen bewertet. Für Anwendungen im Gebiet der Kanalströmungen erzielen wir genaue Ergebnisse. Allerdings kann eine Instabilität, welche auf das Grundprinzip von SPH zurückzuführen ist, auftreten. Nichtsdestotrotz bringt die Verwendung von SPH als gitterfreie Partikel-Methode wichtige Vorteile für die Simulation freier Oberflächen und Mehrphasen-Strömungen mit sich. Da Mehrphasen-Strömungen für Anwendungen in der SWW entscheidend sind, werden diese für Feststoffe und Luft als zweite Phase genauer betrachtet. Die Wichtigkeit für die Berücksichtigung der Luft-Phase wird am Beispiel von mehreren belüfteten Strömungen verdeutlicht. In Vorbereitung auf die Anwendung im Bereich der Abwasserreinigung wird die Simulation der durch Luftblasen induzierten Durchmischung und der daraus resultierende Sauerstofftransfer diskutiert. Trotz Algorithmen zur Vermeidung einer an der Phasengrenze auftretenden Instabilität sind eine Vielzahl an SPH Partikeln zur Beschreibung einer einzelnen Luftblase notwendig. Um einen Fortschritt zu praktischen Ingenieursanwendungen zu ermöglichen, wird als Kompromisslösung eine kombinierte experimentelle und numerische Methode zur Simulation einer Luftsäule vorgeschlagen. Schlussendlich werden die entwickelten Algorithmen im Gebiet der Abwasserreinigung angewendet. Das Ziel dabei ist, den Einfluss der Reaktorhydraulik auf die biokinetischen Prozesse in Kläranlagen zu beschreiben. Dafür wird SPH mit dem Belebtschlamm-Modell gekoppelt. Die Innovation im Vergleich zu gitterbasierten numerischen Strömungsmechanik-Methoden ist durch die zeitgleiche Lösung der hydrodynamischen und biokinetischen Prozesse für instationäre Strömungsbedingungen gegeben. Da diese biokinetischen Stoffkonzentrationen SPH Partikeln zugewiesen werden, kann eine detaillierte räumliche Verteilung der Stoffe in Reinigungsbecken berechnet werden. Dabei stellt insbesondere der hohe Rechenaufwand eine Herausforderung für die Etablierung von SPH als numerische Modellierungsroutine in der SWW dar. Daher wird im ersten Schritt der entwickelte SPH Code erweitert, um Grafikkarten für die Berechnung nutzen zu können.

Zusammenfassung (Englisch)

In this thesis the novel fully Lagrangian smoothed particle hydrodynamics ( SPH ) method is for the first time ever applied tothe field of urban water management ( UWM ). After introducing SPH the methods capabilities for channel and multiphaseflows as well as for wastewater treatment ( WWT ) simulations are assessed. We achieve accurate results for channel flow problems, but for certain setups a mode of instability intrinsic to the method limits the practicability. In spite of that the utilization of the meshless particle-based SPH method comes along with important assets like the support of free surfaces and multi-phase flows. Since multi-fluid flows are crucial for applications in UWM , this topic is closely investigated with solids and air as secondary phase. The importance of including the air phase is demonstrated for a range of aerated flows. Furthermore, in preparation for applications in WWT the modelling of bubble induced mixing and the resulting interfacial oxygen transfer are discussed. Whilst corrective algorithms are implemented to cure the instability at the phase interface, it is shown that a large number of SPH particles are required per air bubble. The com promise taken to progress to practical engineering problems is to follow a combined experimental and numerical approach for modelling a bubble column. Eventually the developed algorithms are assembled for application in WWT . The aim is to characterise the effects of the treatment plants hydraulics on the concentration of biokinetic compounds, which is achieved by coupling SPH to the activated sludge model ( ASM ). The innovation in comparison with mesh-based computational fluid dynamics methods is that the hydro-dynamics and the biokinetic WWT processes are simultaneously solved for unsteady flow conditions. Since these biokinetic concentrations are assigned to SPH particles, a detailed spatial distribution of the compounds in treatment basins can be computed. The future intention of establishing SPH as numerical modelling engine in UWM is challenged by the high computational requirements. As a first step the developed code entitled SPH activated sludge engine ( SPHASE ) is extended to run on graphics processing units ( GPU ).