Phasengrenze

In der Siedlungswasserwirtschaft treten häufig hydraulisch relevante Fragestellungen in drucklos betriebenen Reaktionsbehältern auf, die in weiten Teilen über relativ konstante Phasengrenzflächen verfügen. Insbesondere der Wasserspiegel ändert sich in weiten Teilen nur marginal. Hierfür bietet sich die vereinfachte Randbedingung an, den Wasserspiegel als feste Wand ohne Haftung bzw. ohne Schubspannung zu rechnen. Um dies umsetzen zu können muss die Lage der Phasengrenze, z.B. durch Messung oder entsprechend genaue Vorplanung, bekannt sein. Bedingt durch diese Vereinfachung kann auf den Einsatz eines Mehrphasenmodells verzichtet werden, was sich sowohl auf die Stabilität als auch die Rechenzeit positiv auswirken kann. In Abbildung 1 ist ein Flockungsbecken dargestellt bei dem der Wasserspiegel als Wand ohne Haftung definiert ist.

In anderen Fällen muss die Änderung der Phasengrenzfläche berücksichtigt werden, da sie systementscheidend werden kann. Ein Beispiel ist das in Abbildung 2 dargestellte Thomson-Wehr, bei dem aus dem Abstand der unteren Dreiecksspitze und der Überfallhöhe der Durchfluss aus empirischen Daten berechnet wird. Bei dieser Fragestellung ist die Phasengrenze deutlich ausgeprägt und wesentlich für die Lösung, daher würde hier das allgemein unter dem Namen Volume of Fluid (VoF) bekannte Mehrphasenmodell eingesetzt werden.

Im dritten Beispiel (Abbildung 3) wird ein belüfteter Sandfang simuliert. Hier ist es so, dass die Phasengrenzfläche des Wasserspiegels ebenfalls sehr konstant ausgebildet ist. Die Lage des Wasserspiegels wird hautsächlich über die Lage eines Überfall am Beckenaustritt bestimmt. In dieser Situation würde sich zunächst ein VoF-Mehrphasenmodell anbieten. Zusätzlich sind aber noch Luftblasensäulen im belüfteten Sandfang zu simulieren. Dies ist mit dem VoF-Ansatz nicht möglich. In diesem Beispiel sind diese Blasensäulen systemrelevant, daher muss ein Ansatz gewählt werden, mit dem sowohl ein die Blasensäulen als auch die freie Oberfläche abgebildet werden kann. Daher wurde in diesem Beispiel ein Euler-Mehrphasenmodell gewählt.