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TU Berlin

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Aqua Science Award 2020

Preis Beschreibung

Das AQUANET Berlin-Brandenburg verleiht jährlich den AQUA AWARD für herausragende Leistungen in der Wasserbranche, sowie den AQUA SCIENCE AWARD für Spitzenleistungen wissenschaftlicher Nachwuchskräfte.

Preisträger/in

Lupe

Dr.-Ing. Katharina Teuber

Betreuer

Die kumulative Dissertation „A three-dimensional two-phase model for flow, transport and mass transfer processes in sewers“ wurde am Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierung der TU Berlin im Rahmen des DFG-geförderten Graduiertenkollegs Urban Water Interfaces (UWI) angefertigt.

Der Promotionsausschuss bestand aus

  • Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch, FG Siedlungswasserwirtschaft, TU Berlin
  • Prof. Dr.-Ing. Reinhard Hinkelmann, FG Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierung, TU Berlin
  • Prof. Dr. rer. nat Gunnar Nützmann, Abteilung Ökohydrologie am Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) und Professur für Hydrologie am Geographischen Institut, HU Berlin
  • Prof. Dr.-Ing. Jann Strybny, Fachbereich Seefahrt, Hochschule Emden/Leer
  • Prof. Dr.-Ing. Dirk Muschalla, Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Landschaftswasserbau, TU Graz

Stifter / ausgelobt durch

Der Preis wird von AQUANET, dem Netzwerk der Wasserwirtschaft für Berlin und Brandenburg, gestiftet.

Zusammenfassung

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.

DOI-Link

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