Hydraulisk optimering af overløbsbygværker

Transkript

1 Hydraulisk optimering af overløbsbygværker Preben Dam Simonsen Aalborg Universitet, Denmark June, 1 1 Introduktion Ifølge EUs Vandrammedirektiv skal alle vandløb, søer og marine omr ader inden 15 have god økologisk status. For at opn a dette skal bl.a. punktudledninger fra overløbsbygværker mindskes. Overløbsbygværker er en indbygget del af alle kloaksystemer, og er i de seneste a r blevet fundet til at bidrage til d arlige konditioner i vandløb og søer for flora og fauna [1]. Derfor er man i dag i gang med at separere mange kloaksystemer, for at adskille spildevand fra regnvand, og udnytte lokal afledning af regnvand for at reducere belastningen af kloaknettet. P a lokaliteter hvor disse tiltag ikke er mulige, kan problemet mindskes ved hydrauliske ændringer af kloaknettet i forbindelse med overløbsbygværker. Men for at gøre dette er det nødvendigt med en bedre viden om modellering af disse, fx det energitab som er i forbindelse med overløbskanten p a bygværket - ogs a kaldt overløbskoefficienten. Bygværkers forskellige udformninger, og derved energitab, tages hensyn til ved overløbskoefficienten. I denne artikel vil overløbskoefficienten for forskellige størrelser af vandføringer blive undersøgt. Dette gøres ved at sammenligne vandføring og vanddybde over overløbskanten beregnet vha. MIKE URBAN og en avanceret -dimensionel CFD model. 1.1 Case Lokalitet Frejlev er en lille by beliggende syd-vest for Aalborg, se Figur 1. Byen har ca. indbyggere og et reduceret areal p a ca. hektar. Kloaksystemet fører til et overløbsbygværk i den Aalborg nordlige del af byen, hvorfra den afskærende ledning fører til renfrejlev sning i Aalborg. Ledningen som fører videre til den afskærende ledning er begrænset til ca. 1 liter per sekund. N ar kloaksystemets maksimum kapacitet er Figure 1: Case lokalitet Frejlev, Denmark. n aet bliver overskydende urenset I forbindelse med overløbsbygværket er der et rørbassin og tilsamspildevand ledt ud i Hasseris A. men har de et volumen p a ca. 17 m. Frejlev er blevet valgt som case af flere a rsager: ± Hasseris Å Cities,5 1 1 Kilometers Kilometers

2 1. Det er et lukket, meget veldefineret system.. Aalborg Universitet har brugt denne lokalitet p a flere andre projekter, s aledes forefindes der mange historiske data fx nedbør, vandføring og m alinger af TSS.. En skalamodel af overløbsbygværket brugt i tidligere projekter eksisterer. 1. Overløbsbygværket Overløbsbygværket i Frejlev best ar af to ting. Først et rørbassin med et volumen p a ca. 15 m, 1,6 meter i diameter og 75 meter lang, se Figur. Efter dette kommer selve overløbsbygværket, der har et volumen p a ca. m. Overløbskanten er placeret parallelt med flowretningen. Inden vandet løber over kanten passerer det igennem en rist, som tilbageholder større objekter inden det bliver se Figur. udlet i Hasseris A, Figure : Plantegning af bygværket. Figure : Overløbskant og rist. Metode I dette projekt er Computational Fluid Dynamics (CFD) programmet Star CCM+ blevet anvendt til at modellere forskellige flowscenarier p a overløbsbygværket i Frejlev. Med henblik p a at evaluere overløbskoefficientens indvirken p a overløbsvolumenet i MIKE URBAN, er en lille model blevet opsat, kun indeholdende rørbassinet, bygværket og ca. 165 meter nedstrøms af b ade tørvejrs- og overløbsledningen. Randbetingelsen p a modellen er vandføringen m alt in-situ p a forsknings stationen ca. 1 meter opstrøms brønden som er valgt til øvre rand. Den parameter som her undersøges er overløbskoefficienten, den indg ar i overløbsfunktionen, (1): Qweir = p Cd B g (H)/ (1) hvor, Cd B H Overløbskoefficient, for en side eller parallel overløbskant, defineret ved () Længde af overløbskant Vanddybde over overløbskanten Cd = ( + Kc )/ ()

3 hvor Kc er tryktabet over kanten. [5].1 Randbetingelser til Star CCM+ Indløbs randbetingelse Den øvre rand i modellen er en brønd e n ledningssektion opstrøms rørbassinet, se Figur 4. Denne brønd er valgt pga. den store højdeforskel i forhold til rørbassinet, for at mindske randens indblanding i flowet. I forskningsstationen bliver et antal ting m alt, bl.a. vandføringen som anvendes p a randen i begge modeller. Vandføringen kan dog ikke anvendes direkte i Star CCM+, denne skal først konverteres til en vanddybde og hastighed, dette er gjort ved Newton Iteration. I Figur 4 repræsenterer tallene randbetingelserne i CFD-modellen. Figure 4: Oversigt over geometrien til Star CCM+. Udløbs randbetingelse I modellen er der fem trykrande. Tre af dem er kun til afgasning af luft, den første er et lille udløb for udlukning af luft i den første stejle del, den anden er brønden ifm. med rørbassinet og den sidste er taget p a bygværket, henholdsvis nr., og 4 p a Figur 4. De to andre er trykrande til vandet, den første er en tørvejrsledning begrænset til ca. 1 L/s, angivet nummer 6 p a Figur 4. Den anden træder først i kraft ved overløb, angivet nummer 5 p a 4. Begge trykrande er angivet til atmosfærisk tryk. Kalibrering of validering af CFD modellen Til at kalibrere og validere CFD modellen er forskellige metoder anvendt. Fra et tidligere projekt findes en træmodel af overløbsbygværket, p a denne er der udført hastighedsm alinger med laser. Modellen er herefter blevet kalibreret og valideret fra disse resultater. Desuden er modellen blevet valideret p a sin evne til at modellere faser, luft og vand, korrekt..1 Test set up i laboratoriet Modellen er 1x.8x.5 (LxBxH) meter stor, skaleret ned til ca. 1:4,75. Inløbet til modellen er et meter langt PVC-rør. Modellen blev sat op i strømningsrenden, med en vandføring p a 1,8 L/s, hvilket medførte et overløb p a 1,76 L/s. P a det lille udløb er et vandur monteret, til bestemmelse af vandføringen, se Figur 5. Med laser er gennemsnitshastighederne i 16 punkter blevet m alt i x- og y-retningen over en minutters periode i hvert punkt. Se m alepunkter p a Figur Figure 5: Skaleret model sat op laboratoriet.

4 6. Constant water flow Pipe Basin (Blue) Outlet y x Crest (red) Overflow 1 st velocity profile nd velocity profile rd velocity profile Figure 6: Test set up af model. De målte og modellerede hastigheder for de profiler kan ses i Figur 7:.4 y = 56.9 y = ,8 14,5,815.,6 4,5,615 5,4 54,5,415 7, 74,5,15 9., 94,5,15 1st velocity profile Velocity [m/s] Measured, u Measured, v Modelled, U Modelled, V.1.. Location [cm] Velocity [m/s] nd velocity profile Location [cm] Velocity [m/s] rd velocity profile Location [cm] Figure 7: Målte og modellerede hastigheder.. Luft-vand grænselag Gennem testkørsler af modellen viste det sig at det var nødvendigt at køre med et tidsskridt på,1 sekund, for at modellere luft-vand grænselaget korrekt. Med dette tidsskridt blev skiftet mellem faserne modelleret over et cellelag. 4

5 Figure 8: Luft-vand grænselag over Overløbskanten. Figure 9: Længdesnit. 4 Resultater For at undersøge overløbskoefficients betydning på forskellige vandføringer og dybder er to forskellige metoder blevet anvendt. Den første er en stationær vandføring, som kun lige er stort nok til at skabe et overløb. Den anden er udvalgte regnhændelser. 4.1 Stationær vandføring En stationær vandføring på 11 L/s er valgt som randbetingelse, da udløbet fra bygværket er begrænset til 1 L/S. På den måde kan vanddybden over kanten findes som funktion af den valgte overløbskoefficient, ved en meget lille vandføring, hvorpå overløbskoefficienten forventes at have stor betydning. I alt er 1 scenarier med forskellige værdier for denne blevet opsat, se Tabel 1. Scenarie Orientering Overløbs- Scenarie Orientering Overløbskoefficient koefficient 1 deg.66 7 deg. 9 deg deg. deg - 9 deg deg - 1 deg.5 5 deg.5 CFD 6 9 deg.5 Table 1: Modellerede scenarier. I Figur 1 ses de modellerede vanddybder i MIKE URBAN. Da MIKE URBAN regner i 1D findes vanddybden kun i 1 punkt for hele bassinet, Star CCM+ regner i D, og derfor kan vanddybden findes langs hele kanten. Det kan af Figur 11 og 1 ses at vanddybden varierer meget langs kanten, og at vandet løber over kanten i de to ender. Water depth [mm] Scenario no. Figure 1: Modellerede vanddybder. 5

6 18 16 Water depth above crest [mm] Water depth Bend on crest Distance along crest [m] Figure 11: Vanddybde over kant. Figure 1: Vandoverfladens niveau, kanten er placeret i kote 8,94. 6

7 4. Ikke-stationær vandføring To regnhændelser er blevet valgt til modellering af bygværket i Frejlev. Den første er en meget stor hændelse, forårsaget af et skybrud (Mere end 15 mm på min.) i den nord-østlige del af Jylland []. Det fandt sted den 6. August 1. Hændelsen varede 99 minutter, gav i alt.8 mm og havde en peakintensitet på. µm/s. Den anden hændelse fandt sted den 5. August 1. Denne varede 16 minutter, gav i alt 11.4 mm og havde en peakintensitet op 1. µm/s, men på trods af den mindre regndybde var intensiten i en periode af ca. 1 minutter høj nok til at skabe et overløb. [m ] Scenario no. Figure 1: Difference in overflow volumes compared to CCM I Figur 1 ses forskellen i modellerede overløbsvolumen for de forskellige scenarier, sat i forhold til det beregnede volumen i Star CCM+. Vandføringen i overløbet over tid er vist i Figur 14 og Discharge [m /s] Time [s] 1. CFD Scenario 1 1 Scenario Discharge [m /s] Scenario.8 Scenario 4 Scenario.6 5 Scenario 6 Scenario.4 7 Scenario 8 Scenario. 9 Scenario Time [s] CFD Scenario 1 Scenario Scenario Scenario 4 Scenario 5 Scenario 6 Scenario 7 Scenario 8 Scenario 9 Scenario 1 Figure 14: Discharge plotted vs. time on the 6th of August. Figure 15: Discharge plotted vs. time on the 5th of August. 5 Konklusion I dette studie er det fundet at overløbskoefficienten har stor betydning for de små vandføringer, det være sig oftest i starten og slutningen af en regnhændelse. Når vanddybden er stor nok, bliver energitabet så lille i forhold til, at dettee sagtens kan negligeres. Sammenholdes dette med at CFDmodellering er meget ressource- og tidskrævende sammenlignet med MIKE URBAN, er MIKE UR- BAN et godt værktøj til analyse og design af kloaksystemer. 5.1 Videre forløb I den sidste del af projektforløbet vil der blive udført flere modelleringer af bygværket, med henblik på at mindske udledningen af suspenderet stof i overløbet. Dette vil blive gjort i forhold til en reference model, som konstruktionen er i dag. På nye løsningsforslag vil mindskelsen af partikler i overløbet blive vurderet i forhold til referencemodellen. 7

8 References [1] Forurenende stoffer fra overløbsbygværker fra fælleskloakerede områder, By- og Landskabsstyrelsen, Miljøministeriet, (1). [] FACH, S., SITZENFREI, R. & RAUCH, W. Determining the spill flow discharge of combined sewer overflows using rating curves based on computational fluid dynamics instead of the standard weir equation, Water Science and Technology, 6.1, (9), [] CAPPELEN, J. Vejret i Danmark - august 1, Danmarks Meteorologiske Institut (DMI), (1). [4] CD-ADAPCO Star CCM+ 8. User Guide, (1). [5] DANISH HYDRAULIC INSTITUTE MOUSE Pipe Flow Reference Manual, (1). [6] MICHAEL PFISTER, SEBASTIEN ERPICUM, OLIVIER MACHIELS, ANTON J. SCHLEISS & MICHEL PIROTTON, Discharge coefficient for free and submerged flow over Piano Key weirs, Journal of Hydraulic Research, 5:6, [7] CHENG HE & JIRI MARSALAK Hydraulic optimization of a combined sewer overflow (CSO) storage facility using numerical and physical modeling, Canadian Journal of Civil Engineering, 6, (9),