Anwendung der numerischen Modellierung zur Optimierung eines Speicherbauwerks

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.