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Numerical Investigations on the Function of Flush Waves in a Reservoir Sewer

Schaffner, Joerg :
Numerical Investigations on the Function of Flush Waves in a Reservoir Sewer.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerical Investigations on the Function of Flush Waves in a Reservoir Sewer
Language: English
Abstract:

The intention of this thesis was to apply the approach of three-dimensional numerical modeling to investigate the hydrodynamic principles of flush waves in a reservoir sewer in a high spatial and temporal resolution. First, to give an overview on the topic of sewer sediments, the basics of sedimentation, content of deposits and remobilisation due to erosion are explained. In the following the basics of numerical modelling are given by the introduction of the three-dimensional Reynolds averaged Navier-Stokes equations and the turbulence modelling using the $k-\epsilon$ turbulence model to have a better understanding of the model StarCD, which was used for the following investigations. The discretisation in space and time with the Finite Volume Method is displayed as well as the determination of the free water surface with the Volume of Fluid method. The wall shear stress is the major parameter for the evaluation of the cleaning success of a flush wave. Therefore definition and calculation of the shear stress are explained in detail. The analytical determination of the dam-break wave is derived from the three-dimensional Reynolds averaged Navier-Stokes equations over to the two-dimensional depth-averaged classical shallow water equations and then to the one-dimensional Saint-Venant equations. Two analytical solutions of Ritter and Dressler and their hydraulic basics are presented. An overview on convenient one-, two- and three-dimensional simulation models to calculate flush waves is given followed by literature reviews on flushing devices and major investigations on flush waves and flush cleaning in sewers. The investigated reservoir sewer August-Bebel Ring in Offenbach is described in its geometry and boundary conditions together with the location of the six ultrasonic probes and the used measurement approach. These probes recorded the data of six flush tests with different storage levels at the gate which was then used for the calibration and validation of the numerical model. The investigations of the behaviour, development and effect of flush waves, carried out with the numerical model StarCD, were split up in eight different topics. First the initial phase of the flushing wave was analyzed using the analytical Ritter and Dressler solutions and then compared to the results of a refined numerical model. The analysis of the bottom shear stress was the main investigation in this thesis. The effective flushing length for the dry-weather channel and the slopes against the storage level at the gate and the flushing volume were calculated and simple functions were developed. The influence of the flushing gate, the storage volume and the time step size on the bottom shear stress and the effective flushing distance were the next investigations which were carried out. A very detailed calculation of the bottom shear stresses determined the viscous boundary layer for the initial phase and for the longer running flush waves. The results of the modelling with very fine bottom cells were then compared with the common approach used in the before mentioned investigations. The inclusion of the sunk wave into the cleaning approach of a sewer channel is a very important issue in practical applications. Therefore the development of the sunk wave and its cleaning efficiency were calculated in a refined numerical model. The last investigation regarded the exceeding duration of the critical shear stress along the sewer channel depending on the initial storage level and the flushing volume.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Intention dieser Arbeit war die Anwendung eines dreidimensionalen numerischen Modellansatzes zur Untersuchung der hydrodynamischen Grundlagen von Schwallwellen in einem Stauraumkanal mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung. Zunächst wird ein Überblick zum Thema Kanalablagerungen gegeben. Dabei werden die Grundlagen von Sedimentation, Inhalt von Ablagerungen und Remobilisation aufgrund von Erosion erläutert. Im folgenden werden die Grundlagen der numerischen Modellierung mit der Einführung der dreidimensionalen reynoldsgemittelten Navier-Stokes Gleichungen und der Turbulenzmodellierung mit dem k-epsilon Turbulenzmodel behandelt, um ein bessere Verständnis für das später verwendete Modell StarCD zu schaffen. Die räumliche und zeitliche Diskretisierung mit der Finiten Volumen Methode wird genauso aufgezeigt, wie die Bestimmung der freien Wasseroberfläche mit der Volume of Fluid Methode. Die Wandschubspannung als wichtigster Parameter zur Evaluierung der Reinigungsleistung einer Schwallwelle wird definiert und die Berechnung mittels des k-epsilon Modells wird erläutert. Die analytische Berechung von Dammbruchwellen wird aus der dreidimensionalen reynoldsgemittelten Navier-Stokes Gleichungen über die zweidimensionalen tiefengemittelten klassischen Flachwassergleichung bis zu den eindimensionalen Saint-Venant Gleichungen abgeleitet. Zwei analytische Lösungen von Ritter und Dressler werden präsentiert und deren hydraulische Grundlagen erläutert. Ein Überblick zu ein-, zwei- und dreidimensionalen numerischen Modellen, geeignet zur Berechnung von Schwallwellen, wird gefolgt von Literaturrecherchen zu Schwallspülorganen und den wichtigsten Untersuchungen zu Schwallwellen und Schwallspülungen in Abwasserkanälen. Der untersuchte Stauraumkanal August-Bebel Ring in Offenbach wird in seiner Geometrie und Randbedingungen genauso beschrieben wie die Platzierung der fünf Ultraschallsonden und die verwendete Messmethode zur Visualisierung der Spülwellen. Bei sechs Spültests mit verschiedenen Einstauhöhen wurden mit Hilfe dieser Sonden die zur Kalibrierung und Validierung des numerischen Modells erforderlichen Messdaten ermittelt. Die Untersuchungen zum Verhalten bzw. der Entwicklung der Spülwellen sowie deren Reinigungseffekt wurden mit dem numerischen Modell StarCD ausgeführt und in acht Teilanalysen aufgegliedert. Zuerst wurde die Initialphase einer Spülwelle mit der analytischen Lösung von Ritter und Dressler modelliert und mit den Resultaten einer verfeinerten numerischen Modellierung verglichen. Die darauf folgende Analyse der Bodenschubspannungen war die Hauptuntersuchung dieser Arbeit. Dabei wurden die effektive Spüllänge für die Trockenwetterrinne und Bermen in Abhängigkeit von der Einstauhöhe und dem Spülvolumen ermittelt und einfache funktionale Zusammenhänge definiert. Der Einfluss der Spülklappe, des Spülvolumens und der Zeitschrittgröße während der numerischen Modellierung auf die Bodenschubspannung sowie die effektive Spüllänge wurde im folgenden untersucht. Eine sehr detaillierte Modellierung der Bodenschubspannungen ermittelte das Verhalten der Welle in der viskosen Grenzschicht für die Initialphase und den weiteren Verlauf der Spülwelle. Die Resultate der Modellierung mit einer sehr fein aufgelösten Schicht von Bodenzellen wurde anschließend mit den bisherigen Ergebnissen verglichen. Die Betrachtung und Einbeziehung der Sunkwelle in die Reinigung von Abwasserkanälen spielt eine große Rolle in praktischen Anwendungen. Daher wurde das Verhalten der Sunkwelle und deren Reinigungsleistung in einem verfeinerten numerischen Modell untersucht. Die letzte Analyse galt der Schubspannungsdauer, die den Zeitraum beschreibt, während dem die Sohlschubspannung sich oberhalb der kritischen Marke befindet. Hierbei wurden die Abhängigkeiten von der Einstauhöhe und dem Spülvolumen betrachtet.German
Uncontrolled Keywords: Sewer flushing, Flushing devices, Numerical investigations, Three-dimensional Modelling, Dam-break waves, Measurements of flushwaves
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Sewer flushing, Flushing devices, Numerical investigations, Three-dimensional Modelling, Dam-break waves, Measurements of flushwavesEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie > Institut Wasserbau und Wasserwirtschaft
Date Deposited: 02 Dec 2008 11:27
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-12004
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Oberlack, Prof. Dr.- Martin and Bertrand-Krajewski, Prof. Dr. Jean-Luc
Refereed: 25 January 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1200
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