CFD-Simulationen in der Abwasserindustrie

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

In den 1990er Jahren leit­ete die Grün­dung der INVENT durch Dr.-Ing. Mar­cus Höfken die 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 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 Wass­er- und 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.

Im Kern ist Com­pu­ta­tion­al Flu­id Dynam­ics (CFD) die Ver­wen­dung ange­wandter Math­e­matik, Physik und com­put­ergestützter Soft­ware, um Strö­mungen zu mod­el­lieren und zu visu­al­isieren. Dies wird in der Abwasser­be­hand­lung unverzicht­bar. 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:

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.

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.

Trans­port von Schlamm­flock­en: Schlamm­flock­en oder aggregierte Par­tikel erfordern eben­falls weit­ere Unter­suchun­gen und sorgfältige Mod­el­lierung. Bei Mul­ti­phasen-Sim­u­la­tio­nen 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 nicht-new­ton­sch­er 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.

Die Soft­ware M‑STAR von INVENT, 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 nicht nur in ihren 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 Vor-Ort-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.