Strömungsmodellierung – Arbeitschritte in CFD

Die jetzigen und zukünftigen Anforderungen in der Wasseraufbereitung stellen Planer und Betreiber von verfahrenstechnischen Anlagen vor komplexe Aufgaben. Viele Maßnahmen lassen sich mit einfachen analytischen Methoden nicht berechnen. Hier können moderne, computerbasierte Methoden helfen. Hierzu gehört die räumliche Modellierung von Wasseraufbereitungsanlagen mit CFD (Computational Fluid Dynamics), die ein sehr anschauliches und genaues verfahrenstechnisches Bild der geplanten oder im Betrieb befindlichen Wasseraufbereitungsanlage, mit allen wesentlichen hydrodynamischen, chemischen und physikalischen Vorgängen, liefern kann. In der Wasseraufbereitung und -verteilung sind bereits die meisten verfahrenstechnischen Stufen in CFD abbildbar, wie z.B. die Einmischung von Aufbereitungsstoffen in Rohre und Becken, Desinfektionsanlagen (Abbildung), Filtrationsanlagen, Flockungsbecken, Sedimentationsbecken, die Membrantechnik sowie die Strömungsverteilung in Rohrleitungssystemen und in Trinkwasserspeichern. Hierbei werden CFD-Analysen typischerweise für die Voranalyse von Ein- und Umbauten in den durchströmten Bauwerken genutzt. Somit können Varianten schnell und kostengünstig getestet und verglichen werden, ohne dass die Maßnahme tatsächlich real umgesetzt werden muss. Zudem können CFD-Modelle eine Wissensgrundlage für mittel- und langfristige Planungen bilden, z.B. als Baustein für ein Risikomanagement. Hierbei kann CFD als Schulungswerkzeug für Mitarbeiter verwendet werden, um z.B. Handlungsoptionen für Risikoszenarien in einer sicheren, virtuellen Umgebung zu testen – ähnlich wie angehende Piloten in einem Flugsimulator.

Ziel der Veranstaltung ist es, dass die Teilnehmer mit einem kommerziellen CFD-Programm ein eigenes CFD-Modell komplett eigenständig aufsetzen, rechnen und auswerten können. Die Voraussetzungen hierfür werden in einem Praxiskurs geliefert. Dieser Kurs besteht aus kurzen theoretischen Einheiten mit jeweils anschließenden Übungseinheiten. „Learning by doing“ ist hierbei ein ganz wesentlicher Aspekt, um die angestrebten Ziele zu erreichen. Daher wird jedem Studierenden ein eigener Rechner mit der entsprechenden CFD-Software zur Verfügung gestellt. In einer Hausübung werden die zuvor eingeübten Themen an einem praktischen Beispiel umgesetzt. Der Übungsinhalt kann vom Referenten vorgegeben werden, willkommen sind aber auch eigene Ideen aus der Siedlungswasserwirtschaft. Bedingt durch die hierdurch notwendige intensive Betreuung ist die maximale Teilnehmerzahl begrenzt.

Ansprechpartner ist Dr. Alexander Sonnenburg (a.sonnenburg@iww-online.de)

Die Veranstaltung „Trinkwassergüte und Wasseraufbereitungstechnik“ ist für Studierende im Master-Studium konzipiert. Es wird ein umfassendes Wissen über Techniken der Wasseraufbereitung vermittelt. Chemische, biologische und physikalische Grundlagen werden aufgegriffen und auf die Funktionsweise von Aufbereitungsverfahren übertragen. Die chemisch-physikalischen Eigenschaften von Wasser und seinen Inhaltsstoffen als Grundlage für Aufbereitungsverfahren werden gelehrt, z.B. das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht. Im Rahmen der Vorlesung soll eine Aufbereitungsanlage für eine gegebene Wasseranalyse als Gruppenarbeit konzipiert werden. Diese Studienleistung sowie eine schriftliche Klausur mit mündlicher Prüfung sind zum Bestehen des Moduls zu absolvieren. Hier eine Auflistung der Inhalte:

• Trinkwassergüte

• pH-Wert, Calciumkarbonatsättigung

• Entsäuerung, Enthärtung, Entkarbonisierung, Neutralisation

• Gasaustausch, Belüftung

• Flockung/Fällung, Sedimentation, Flotation

• Schlammanfall, Schlammbehandlung

• Filtration

• Membranverfahren

• Enteisenung/Entmanganung

• Sorption und Adsorption, Ionenaustausch

• Oxidation, Desinfektion

Die Veranstaltung „Wassergüte und Wasserversorgungstechnik“ richtet sich an Studierende im Bachelor-Studium, die sich im Themengebiet Wasserversorgung ein fundierteres Wissen aneignen möchten, als dies durch die Grundlagen-Fächer erfolgt. Es wird ein breiter Überblick über die gesellschaftliche und technische Entwicklung in diesem Themenbereich gegeben. Aktuelle Themen werden ebenso behandelt wie abgeschlossene und laufende Projekte. Ein spezieller Fokus liegt auf der Vermittlung der Funktionsweise mathematischer Algorithmen zur Berechnung von Rohrnetzen. Das Modul schließt mit einer schriftlichen Klausur ab. Hier eine Auflistung der Lehrinhalte:

• Kurze historische Entwicklung der Wasserversorgung (Antike bis heute)

• Eigenschaften und Beschaffenheit natürlicher Wässer;

• Wasserdargebot und Wassergewinnung (Oberflächengewässer)

• Wasseraufbereitung (Grundoperationen);

• Energieoptimierung, Kosteneinsparpotenziale, Automatisierungstechnik;

• Trinkwasserinstallation

• Aktuelle Probleme in der Wasserversorgungswirtschaft (z.B. auf Nachfrage Nitrat, Arzneimittel, endokrine Stoffe, Trihalogenmethane, Blei im Trinkwasser, Liberalisierung, Privatisierung)

Wasserversorgung: Optimierung, Modellierung und Fallstudien

Die Veranstaltung richtet sich an Studierende, die tiefere Einblicke in spezielle Fragestellungen im Bereich der Wasserversorgung erhalten wollen. Zu Beginn des Semesters werden nationale wie auch internationale Themen aus verschiedenen Disziplinen mit Bezug zur Wasserversorgung zu Auswahl gestellt. Die Bearbeitung selbst erarbeiteter Fragestellung ist jedoch ebenso möglich.

Die Themengebiete umfassen:

• Grundwasserschutz

• Numerische Strömungssimulation

• Betrieb von Versuchsanlagen

• Anlagenoptimierung/ Energieeffizienz in der Wasserversorgung

• Wasserfußabdruck

• Rohrnetzberechnung

• Integriertes Wasserressourcenmanagement

• Internationale Herausforderungen

Das Ziel der Lehrveranstaltung ist die Erarbeitung einer Seminararbeit, deren Ergebnisse im Rahmen einer Präsentation vorgestellt werden. Die Seminararbeit kann dabei sowohl in zweier Gruppen als auch alleine durchgeführt werden.

Da in dieser Lehrveranstaltung keine fixen Termine festgelegt sind, werden in bestimmten Abständen Besprechungen mit Betreuern durchgeführt, um den Stand der Ausarbeitung und eine mögliche weitere Vorgehensweise zu diskutieren.

Die Erarbeitung der Seminararbeit erfolgt unter wissenschaftlichen Gesichtspunkten, sodass das Modul eine gute Vorbereitung auf zukünftig folgende Abschlussarbeiten bietet.

Wasserversorgung in der Praxis: Ausgewählte Themengebiete sind beispielsweise Betrieb und Instandhaltung von Trinkwassernetzen, Planung redundanter Anlagen- und Netzstrukturen, Haupt- und Strukturkennzahlen der Wasserversorgung (Benchmarking), Betriebsführung und Management von Wasserversorgungsanlagen. Angereichert mit vielen Praxisbeispielen und den wichtigsten Hinweisen aus dem DVGW-Regelwerk.

Qualifikationsziele und Kompetenzen: Die Studierenden können praktische Fragestellungen für Planung und Betrieb von Trinkwasserversorgungssysteme analysieren und Maßnahmen vorschlagen.

Das Institut KGBauko bietet im Sommersemester 2020 die Module Grundlagen des konstruktiven Hochbaus, Green Building Design II und Baukonstruktion Online! an – alle weiteren Informationen siehe Poster!

In der Lehrveranstaltung „Ausgewählte Kapitel aus dem Verbund- und Leichtbau“ werden insbesondere die Themen Stahl-Beton-Verbundbau und die Sandwichtechnik, eine sehr verbreitete Bauweise für Fassaden und Dächer, behandelt.

Die Veranstaltung ist als Inverted-Classroom-Veranstaltung konzipiert, d.h. alle grundlegenden Inhalte sind zum Selbststudium in einem Moodle-Wiki enthalten. Die zugehörigen Präsenzveranstaltungen, die der Vertiefung und dem Klären von Fragen dienen, finden bis auf weiteres als Zoom-Videokonferenz statt. Als Studienleistung ist von allen Teilnehmern eine eigene Wiki-Seite zu erstellen.

Die Veranstaltung umfasst 6 CP.

Kontakt:

Fachgebiet Stahlbau

Prof. Dr.-Ing. Jörg Lange

Dr.-Ing. habil. Felicitas Rädel