Μαθηματική προσομοίωση της επίδρασης του ανέμου στην υδροδυναμική συμπεριφορά και απόδοση δεξαμενών καθίζησης

Abstract

Sedimentation is a physical treatment process that is widely applied in various sectors of environmental technology, such as water treatment, and takes place into the so-called settling tanks or sedimentation basins. Although it is widely recognized that settling tanks are sensitive to wind effects, the presence of wind is practically always neglected. The objective of the present Ph.D. thesis is the investigation and the mathematical modeling of wind effect on the hydrodynamic behavior and the removal efficiency of settling tanks. For this purpose, a novel systematic methodology for assessing the effect of wind on settling tanks, which combines experimental work and CFD (Computational Fluid Dynamics) calculations in real tanks, is presented and applied for the first time in the international literature. More specifically, the following measurements were performed: (i) particle size distribution measurements at the tanks’ inlet, (ii) turbidity measurements, (iii) suspended solids’ concentration measurements and (iv) wind velocity and wind direction measurements. Then, 2D and 3D calculations were performed to determine (i) the flow field, (ii) the suspended solids’ concentration field, (iii) the removal efficiency of the tanks and (iv) the Flow Through Curves (FTC) for tanks’ operation in calm conditions and steady state and transient windy conditions. The most remarkable conclusions drawn from this research work are the following: The effect of wind on the flow field, on the hydraulic performance and on the suspended solids’ concentration field in settling tanks is strong. The effect of wind on tanks’ removal efficiency, in steady state windy conditions, is low (1% - 4%). The effect of wind on tanks’ removal efficiency, in windy transient conditions, can be very pronounced according to the experimental measurements (≈30%). The effect of wind increases with increasing wind velocity and decreasing tanks’ flow rate. The effect of wind on tanks’ performance is negative for co-current winds (i.e. winds that flow parallel with the main direction of the flow in the tanks) and positive for counter-current winds (i.e. winds that flow opposite to the main direction of the flow in the tanks). The use of baffles increases the hydraulic and removal efficiency of the settling tanks; this increase is more intense as the number of baffles increases.

Η καθίζηση είναι μια φυσική διεργασία που εφαρμόζεται ευρέως σε διάφορους τομείς της περιβαλλοντικής μηχανικής, όπως στην επεξεργασία του νερού, και λαμβάνει χώρα στις δεξαμενές καθίζησης. Παρόλο που σύμφωνα με τη διεθνή βιβλιογραφία ο άνεμος μπορεί να επηρεάσει τη λειτουργία των δεξαμενών καθίζησης, δεν υπάρχει πρακτικά καμία επιστημονική εργασία η οποία να έχει μελετήσει συστηματικά την επίδρασή του. Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η διερεύνηση και η μαθηματική προσομοίωση της επίδρασης του ανέμου στην υδροδυναμική συμπεριφορά και απόδοση των δεξαμενών καθίζησης. Για το σκοπό αυτό, παρουσιάζεται και εφαρμόζεται για πρώτη φορά διεθνώς μια συστηματική μεθοδολογία για την αξιολόγηση της επίδρασης του ανέμου στις δεξαμενές καθίζησης, η οποία συνδυάζει πρωτότυπες πειραματικές μετρήσεις και 2D και 3D υπολογισμούς με μοντέλα Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής (Computational Fluid Dynamics – CFD) σε πραγματικές δεξαμενές καθίζησης πόσιμου νερού. Ειδικότερα, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις (i) κοκκομετρικής διαβάθμισης αιωρούμενων στερεών στην εισροή, (ii) θολότητας, (iii) συγκέντρωσης αιωρούμενων στερεών και (iv) ταχύτητας και διεύθυνσης ανέμου. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί (i) πεδίου ροής, (ii) συγκεντρώσεων αιωρούμενων στερεών, (iii) απόδοσης και (iv) καμπυλών κατανομής υδραυλικού χρόνου παραμονής, σε συνθήκες άπνοιας και σε μόνιμες και μη μόνιμες συνθήκες πνοής ανέμου. Τα βασικά συμπεράσματα που προέκυψαν είναι τα ακόλουθα: Η επίδραση του ανέμου στο πεδίο ροής, στην υδραυλική απόδοση και στην κατανομή των συγκεντρώσεων των αιωρούμενων στερεών στις δεξαμενές καθίζησης είναι σημαντική. Η επίδραση του ανέμου στην απόδοση των δεξαμενών καθίζησης σε μόνιμες συνθήκες πνοής ανέμου είναι της τάξης του 1% - 4%, δηλ. είναι μικρή. Η επίδραση του ανέμου στην απόδοση των δεξαμενών καθίζησης σε μη μόνιμες συνθήκες πνοής ανέμου, σύμφωνα με τις πειραματικές μετρήσεις, είναι πολύ σημαντική (≈30%). Η επίδραση του ανέμου αυξάνεται με την αύξηση της ταχύτητας του ανέμου και τη μείωση της παροχής των δεξαμενών καθίζησης. Η επίδραση του ανέμου στη λειτουργία των δεξαμενών καθίζησης είναι αρνητική για ανέμους με κατεύθυνση παράλληλη με τη βασική κατεύθυνση της ροής στις δεξαμενές και θετική για ανέμους με κατεύθυνση αντίθετη με τη βασική κατεύθυνση της ροής. Τα πετάσματα βελτιώνουν την υδραυλική συμπεριφορά και απόδοση των δεξαμενών καθίζησης και η βελτίωση αυτή αυξάνεται καθώς αυξάνεται ο αριθμός των πετασμάτων.