Wolf, Stefanie

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Conference Paper, Published VersionWolf, StefanieStudie zum Großabscheider - Rückhaltung vonLöscheinsatzmitteln Numerischer AnsatzVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/106529Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Wolf, Stefanie (2019): Studie zum Großabscheider - Rückhaltung von LöscheinsatzmittelnNumerischer Ansatz. In: Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.): 21. Treffen jungerWissenschaftlerInnen. Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau. S. 61-68.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.Bundesanstalt für Wasserbau 21. Treffen der ]uWi 14.-16.08.2019 Studie zum Großabscheider - Rückhaltung von Löscheinsatzmitteln Numerischer Ansatz Stefanie Wolf, Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft, RWTH Aachen University Veranlassung und Zielsetzung Unser Stromnetz verfügt über Stromautobahnen auf Höchstspannungsebene zur Verteilung von Strom in ganz Deutschland. Umspannwerke wandeln sehr hohe Transportspannungen in großen Transfor- matoren (kurz Trafo) in niedrigere Spannungen zur regionalen Verteilung um. Das Kernstück eines Trafos ist eine in Isolieröl gelagerte magnetische Spule. Die Regenwasserbewirtschaftung der Trafo- standfläche beinhaltet einen unterirdischen Großabscheider (Bild 1) (50Hertz 2017a). Das Nieder- schlagswasser sowie mögliche Isolierölverluste vom Trafo werden dem Abscheider zugeführt. Dieser ist für den Fall einer Leckage des Trafos an einem Regentag bemessen und kann das Öl vollständig vom Regenwasser separieren. Unklar ist jedoch, was im seltenen Fall eines Ölbrandes geschieht, bei dem mit tensidhaltigem Löschschaum gelöscht wird, was ein Lösen von Öl in Wasser herbeiführt. In dem Projekt „Studie zum Großabscheider - Rückhaltung von Löscheinsatzmitteln" soll die Abscheide- leistung eines Großabscheiders in so einem Havariefall über hydronumerische Strömungssimulatio- nen untersucht werden. (50Hertz 2017b) Die Abscheidewirkung kann dabei über den Rückhalt von Öl und Tensiden beschrieben werden. In dem Stoffgemisch aus Öl, Wasser und Löschmittel finden ver- schiedene Mischungs- und Lösungsprozesse statt. Diese chemischen Effekte werden in gängigen Mo- dellansätzen der CFD-Software (Computational Fluid Dynamics) formeltechnisch nicht explizit erfasst, allerdings können Interaktionen zwischen einzelnen Fluiden über Ersatzfunktionen beschrieben wer- den. (Wardle 2011; Greenshields 2011; Wardle und Weller 2013). Anhand einer Variantenstudie mit- tels Minimalbeispiel soll untersucht werden, welche Modellparameter in numerischen Modellen der Strömungssimulation Einfluss auf das Vermischen verschiedener Fluiden haben. Es sollen numerische Einstellungen gefunden werden, die das Lösen von Öl in Wasser unter Beisein des oberflächenwirk- samen Löschmittels begünstigen. I Bild 1: Querschnitt durch einen Gro/šabscheíder [Skizze] Grundlagen der Numerik OpenFoam (Open Source Field Operation and Manipulation) ist ein Programm zur Simulation von Strömungsprozessen (englisch Computational Fluid Dynamics, kurz CFD) (Greenshields 2018; Iasak 2009). Es ist im Vergleich zu kommerzieller Software besonders flexibel bei der Erstellung der Be- rechnungsgeometrie und ermöglicht, individuelle Lösungsalgorithmen für die jeweilige Fragestellung zu wählen. (lasak et al. 2007) Bei der Simulation wird die zugrundeliegende Navier-Stokes- Gleichungen räumlich und zeitlich diskretisiert. Die zeitliche Diskretisierung erfolgt über Berech- \ g 61 Bundesanstalt für Wasserbau 21. Treffen der ]uWi 14.-16.08.2019 nungs-Zeitschritte, die räumliche Diskretisierung über das Berechnungsnetz. Die Feinheit des Gitters beeinflusst Genauigkeit und Geschwindigkeit der Rechnung. ]e nach fluiddynamischer Fragestellung (Ein- oder Mehrphasenmodell, Wärmetransport, Dispersionsphänomene, (in)kompressible Fluide u.v.m.) sind verschieden komplexe Gleichungssysteme zu lösen. Aktuell kann hierfür aus fast 100 Sol- vern der passende Lösungsalgorithmus gewählt werden, welcher für jeden Zeitschritt diskrete Werte im Zellmittelpunkt berechnet (Delnoij et al. 1999; Greenshields 2018). Mit dem multiphaseEulerFoam Solver kann ein System aus inkompressiblen Fluiden berechnet werden. Der VOF-Ansatz (kurz für Vo- lume-of-Fluid) ermöglicht, dass pro Zelle ein Wert pro physikalischer Größe gespeichert wird. Dieser wird auf die verschiedenen Fluide in einer Zelle aufgeteilt. Hierbei wird für jede Zelle angegeben, zu welchem Anteil sie mit den jeweiligen Fluiden gefüllt ist. Der Wert für diese Phasenfraktionen liegt jeweils zwischen Null (die Phase ist in der Zelle zu dem Zeitschritt nicht vorhanden) und Eins (die Phase füllt die Zelle aus). (Biscarini et al. 2010) Ein Auflösen von einzelnen Tropfen ist oft nicht mög- lich, da die Tropfengröße in vermischten Phasen, wie etwas Dispersionen aus Öl und Wasser, sehr viel feiner als die Mesh-Auflösung ist (Hirt und Nichols 1981). Bei stark dispersen Fluidgemischen führt ein reiner VOF-Ansatz zu Ungenauigkeiten, da das Gemisch wie eine einzige Phase betrachtet wird. ]edoch ist es möglich, die Krafteinwirkungen der dispersen Tropfen auf die kontinuierliche Phase und umgekehrt zu beachten. (Greenshields 2011) Diese Kräfte hängen vom Durchmesser der sich bilden- den Tropfen ab. Die Summe der Kräfte, die auf einen Tropfen wirken (FU), setzt sich wie folgt zusam- men: (Peeters 2016) Fu Fd,ı Fvm,i m i t  Fu drag force; Wiederstand aufgrund der Relativbewegung zwischen zwei Phasen [Tocci 2016] lift force; Querkraft wenn sich ein Tropfen in einer rotierenden Strömung bewegt [Legendre und Magnaudet 1998) Virtual nass force; hemmende Kraft durch Wirt. Massenzunahme eines Tropfen/ einer Luftblase [Moríson et al. 1950) + + Fı,ı 0 F„„ Fı,ı Fvm,i Die Grenzflächen zwischen verschiedenen Phasen werden aus den Phasenfraktionen errechnet, aber durch numerische Ungenauigkeiten oft unscharf dargestellt. (Biscarini et al. 2010) Der multíphaseEu- lerFoam Solver enthält eine Funktion zur Schärfung dieser Grenzflächen. Bei dieser sogenannten Inter- faceCompressíon wird eine virtuelle Kompression auf die Grenzflächen ausgewählter Phasenpaare aufgebracht. Die hieraus abgeleitete Kompressionsgeschwindigkeit, welche normal auf die Grenzflä- chen wirkt, stellt sich wie folgt dar: (Wardle und Weller 2013; Tocci 2016) caıfiı Va IVal íë Va IV0(l C« Normalenvektor auf die Grenzfläche Binärer InterfaceCompression- Koeffizient, 0= InterfaceCompression aus, 1= InterfaceCompression an Nach Stand der Forschung wird empfohlen, auf scharfe Grenzflächen zu verzichten, wenn Dispersio- nen vorliegen. Hierdurch können die Phasen als ineinander übergehende Kontinua dargestellt werden. Impulsgleichungen werden dabei für jede Phase einzeln berechnet. (Tocci 2016; Wardle und Weller 2013) Modellauíbau und Versuchsprogramm Die Geometrie besteht aus einem 15 X 12 cmm großen Kasten mit einer Tiefe von 1 Zelle, womit die Geometrie zweidimensional ist. Sie ist mit 2880 Zellen möglichst klein ausgeführt, um die Rechenzeit 62 2 Phase Dichte ı ı m3 Viskosität mm2 s Oberflächenspannung mN m m Partikel Wasser 1000 1 60 *** 0,001 öı 805* 9,6* 30 0,0 010-0,00015 Luft 1 14,8 -Bezugsgröße- *** 0,003 Löschmittel 1060** 15** max. 17** -3 -5 wurde variiert 10 -10 Öl- Wasser-Gemiseh Variante InterfaceCompression Öl m Partikel Löschmittel m d Partikel 1 aus 0,00015 2 ein 0,00015 ÖI-LösehmitteIIösungs- Gemisch 3 aus 0,00010 0,001 4 aus 0,00010 0,0001 5 aus 0,00010 0,00001 Bundesanstalt für Wasserbau 21. Treffen der ]uWi 14.-16.08.2019 zu optimieren und somit als Minimalbeispiel für eine Variantenstudie geeignet( Bild 2 und Bild 3). Boden und Seitenwände haben eine Haftbedingung, Front und Rückseite sind reibungsfrei, sodass ein Scheiben-Ausschnitt dargestellt wird. Die Oberseite der Geometrie ist zur Atmosphäre hin offen. Phases Air- 2 1 .5 Oil- 1 0.5 Wo†er 0 Bild 2: Modellaufloau mit Wasser und Öl Bild 3: Berechnungsnetz In dem Quaderausschnitt werden zwei Säulen errichtet, eine besteht aus Öl, die andere aus Wasser oder einer Löschmittellösung (vgl. Bild 2). Die beiden Flüssigkeitssäulen kollabieren zu Beginn der Simulation. Durch diesen Energieeintrag mischen sich die Flüssigkeiten miteinander. In Tabelle 1 sind die in der Simulation berücksichtigten Stoffeigenschaften aufgelistet. Für das Öl werden zwei Durch- messer angesetzt, die im Rahmen von Vorversuchen der Aachener Verfahrenstechnik ermittelt wurde. Hier wurde festgestellt, dass sich der Durchmesser von dispersen Öltropfen im Beisein des Löschmit- tels von 0,00015 m auf 0,00010 m reduziert. (Eggert et al. 2018) Variiert wurde das Anbringen einer InterfaceCompressiorı an der Trennschicht zwischen Öl und Wasser und anschließend der Partikel- durchmesser für Löschmittel. Hieraus entstehen fünf Varianten des Minimalbeispiels (Tabelle 2). Tabelle 1: Stofieígenschaften der Phasen * (Shell Deutschland Oil GmbH 2013), **(Dr. STHAMER HAMBURG 2015), *** Voreinstellungen in OpenFoam Tabelle 2: Varían ten der Mínímalbeíspíele Zur Auswertung der Phasendurchmischung wurden die Phasenfraktionen Vai in einer definierten Zelle betrachtet (Nummer 300) (vgl. Bild 4). Diese Zelle ist zu Anfang und Ende der Simulation voll- ständig mit Wasser gefüllt. Während der Simulation wird Öl in diese Zelle eingetragen. Erwartet wird, dass sich eine langfristige Durchmischung zwischen Öl und Wasser in Varianten 3-5 einstellt, da hier 63 Bundesanstalt für Wasserbau 21. Treffen der ]uWi 14.-16.08.2019 der Partikeldurchmesser des Öls geringer ist. Zudem soll untersucht werden, wie sich ein kleinerer Durchmesser des Löschmittels auf diese Durchmischung. . Phcıses Aır- Oil- Woher Bild 4: Lage der Zelle Nr. 300 zu Beginn (li.) und Ende (re.) der Simulation Ergebnis und Diskussion Der Einfluss der InterfaceCompression wird durch den Vergleich von Variante 1 und Variante 2 sicht- bar. Ohne InterfaceCompressíon findet eine stärkere Vermischung zwischen Wasser und Öl statt (vgl. Bild 5). In Variante 2 sind die Phasen in Zelle Nr. 300 nach ca. 3 Sekunden wieder getrennt („Trenn- zeit"), in Variante 1 braucht der Vorgang ca. 8 Sekunden. Die Grenzen zwischen der öl- und Wasser- phase erscheinen mit InterfaceCompression nicht nur schärfer, die Phasen dringen auch weniger stark ineinander ein. Für die folgenden Varianten mit Löschmittellösung und Öl wird die InterfaceCompres- sion ausgeschaltet. Der Partikeldurchmesser des Löschmittels wird auf 0,001 m für Variante 3, 0,0001 m (Variante 4) und 0,00001 m (Variante 5) gesetzt. Außerdem wird in den Varianten 3-5 der Partikel- durchmesser des Öls von 0,00015 auf 0,00010 m heruntergesetzt, weil sich unter Beisein des Tensids kleinere disperse Öltropfen bilden (Eggert et al. 2018). In Bild 6 und Bild 7 werden für die Varianten 3- 5 die Fraktion an Löschmittel, Wasser und Öl in der Kontrollzelle dargestellt. Die Trennzeit zwischen Öl und Wasser ist in den Varianten 3-5 deutlich höher als in den Varianten 1 und 2. Sie beträgt ca. 15 Sekunden bei Variante 3 und ca. 18 Sekunden bei Variante 4 (vgl. Bild 6). Bei einem Partikeldurchmes- ser des Löschmittels von 0,00001 m findet ein langfristiges Durchmischen von Öl und Wasser statt. In Bild 8 ist die Phasenverteilung in Variante 5 nach 1 Sekunde zu sehen. Aus dem Hochschaukeln an der Seitenwand lässt sich schließen, dass die Oberflächenspannung des gesamten Gemischs herunterge- setzt wurde. 64 ı ı ı Surfactant Oil Wafer ı ı ı Surfactant Oil Water Variante 3: 01 Löschmittellösung Gemisch, d des Löschmittels von 0,001 m Variante 4: 01 Löschmittellösung Gemisch, d des Löschmittels von 0,0001 m Variante 5: 01 Löschmittellösung Gemisch, d des Löschmittels von 0,00001 m Surfactant Oil Water Bundesanstalt für Wasserbau 21. Treffen der ]uWi 14.-16.08.2019 es 14 o 12 es 12 Phoses A r 0 I 109 008 (fell l a  IN ooo Ol- o 04 an no ıı ıı 1 f f  Wc:ı†er Bild 5.- Simulation mit und ohne InterfaceCompressíon nach 1 Sekunde Símulationszeit [Variante 1 und2) 1 Ü er I 0 9  0 8  WW | ı â š ä* U-. å 4 0 „J 0 2  0.2 0,1 'l 01 I ""\ u ~ - - - - - _ . _  'r 1 1 ' "  † r "† .› T z J 4 r 7 a In" 9 1 H 5 16 1 18 Bild 6.' Time [sek.] .. Phaserıfraktionerı in Zelle 300 [Surfactant, Oil, Wafer engl. für Tensid, Ol, Wasser] 9 I na I f V ff a.„6 : o ; u WW an .J L ı.ı. O ä 2 4  G. 1 n ı 1 3 4 6 1 Tıme [sek.] 1 Bild 7.- Phasenfrakt. in Zelle 300 (Tensíd, Öl, Wasser] Bild 8: Variante 5 nach 1 Sekunde 1. \/ 65 ı l Bundesanstalt für Wasserbau 21. Treffen der ]uWi 14.-16.08.2019 Zusammenfassung und Fazit Über Minimalbeispiele wurden Einstellungen für den multíphaseEulerFoam Solver für das Lösen von Öl in Wasser unter Beisein eines Tensides kalibriert. ]e kleiner der Partikeldurchmesser des Löschmit- tels gewählt wird, desto länger verbleiben Wasser und Öl in einer Zelle. Das Ausschalten der Inter- faceCompression begünstigt Mischungsvorgänge zusätzlich. Zur Darstellung des Effekts von tensidhal- tigem Löschmittel auf ein Öl-Wasser-Gemisch sollen möglichst kleine Partikeldurchmesser für das Löschmittel gewählt und die InterfaceCompression zwischen den vermischten Fluiden ausgeschaltet werden. Bei Partikeldurchmessern von 0,00010 m für Öl und 0,00001 m für Löschmittel bleiben Was- ser und Öl in der betrachteten Kontrollzelle langfristig in Lösung. Zusammenfassend ist der multipha- seEulerFoam Solver geeignet, um das Mehrphasengemisch aus Wasser, Öl und Löschmittel abzubilden. 66 Bundesanstalt für Wasserbau 21. Treffen der ]uWi 14.-16.08.2019 Literatur 50Hertz (2017a): 50Hertz-Stromkreuzungen. So funktionieren Umspannwerke. 50Hertz (2017b): Studie zum Großabscheider. Rückhaltung von Löscheinsatzmitteln. Biscarini, C.; Di Francesco, S.; Manciola, P. (2010): CFD modelling approach for dem break wow Studies. In: Hydrology and Earth System Sciences 14 (4), S. 705-718. Delnoij, E.: Kuipers, ].A.M.; van Swaaij, W.P.M. (1999): A three-dimensional CFD model for gas-liquid bubble columns. In: Chemical engineering Science 54 (13-14), S. 2217-2226. Dr. STHAMER HAMBURG (2015): MOUSSOL -APS LV 3/3 F-15. ALKOHOLBESTÄNDIGES AFFF- SCHAUMLÖSCHMITTEL. Eggert, Armin; Meyer, Christian; Iupke, Andreas (2018): Abschlussbericht AP1. Projekt: Studie zum Großabscheider: Rückhaltung von Löscheinsatzmitteln. Hg. V. Aachener Verfahrenstechnik, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik. Aachen. Greenshields, C. ]. (2018): OpenFOAM User Guide, Version 6. Greenshields, Chris (2011): 0penFoam. 0penFOAM 2.1.0: Multiphase Modelling. Multiphase interface- capturing. Hg. V. The OpenFOAM Foundation. Online verfügbar unter https://openfoam.org/release/2-1-0/multiphase-interface-compressible-euler/, zuletzt ge- prüft am 13.05.2019. Hirt, C. W-; Nichols, B. D. (1981): Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries. In: Iournal of computational physics 39 (1), S. 201-225. I s a k ,  H.; Iemcov, A.: Tukovic, Z. (2007): OpenFOAM: A C++ Library for Complex Physics Simulation. In: International Workshop on coupled methods in numerical dynamics. 1000, S. 1-20. Iasak, Hrvoje (2009): OpenFOAM: Open Source CFD in research a d  industrie. In: International Iournal of Naval Architecture a d  Ocean Engineering 1 (2), S. 89-94. DOI: 10.2478/IINAOE-2013-0011. Legendre, D.: Magnaudet, I. (1998): The lift force on a spherical bubble in a viscous linear shear flow. In: I. Fluid Mech. 368, s. 81-126. DOI: 10.1017/S0022112098001621. Morison, ]. R.: Iohnson, ]. W.; Schaaf, S. A. (1950): The Force Exerted by Surface Waves on Piles. In: Iournal of Petroleum Technology 2 (05), S. 149-154. DOI: 10.2118/950149-G. Peeters, P. T. (2016): CFD of multiphase pipe flow: A comparison of solvers. Master Thesis. TU Delft, Delft. Aerospace Engineering. Online verfügbar unter http://resolver.tudelft.nl/uuid:88a16dcd-f404-4d29-9bad-d3ffdOcc2023, zuletzt geprüft am 13.05.2019. Shell Deutschland Oil GmbH (2013): Technisches Datenblatt. Shell Diala $4 ZX-I. Tocci, Francesco (2016): Assessment of a hybrid VOF toto-fluid CFD Solver for Simulation of gas-liquid flows in vertical pipelines in OpenFOAM. Dissertation. Politecnico di Milano, Mailand. Online verfügbar unter https://www.politesi.polimi.it/handle/10589/127961, zuletzt geprüft am 13.06.2019. Wardle, Kent E. (2011): Open-Source CFD Simulation of Liquid-Liquid Flow in the Annular Centrifu- gal Contactor. In: Separation Science and Technology 46 (15), S. 2409-2417. DOI: 10.1080/01496395.2011.600748. Ward le, Kent E.; Weller, Henry G. (2013): Hybrid Multiphase CFD Solver for Coupled Dis- persed/Segregated Flows in Liquid-Liquid Extraction. In: International Iournal of Chemical Engineering 2013, S. 1-13. DOI: 10.1155/2013/128936. 67 Bundesanstalt für Wasserbau 21. Treffen der ]uWi 14.-16.08.2019 68 

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