Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Avrinnings- och CFD-modellering för optimalt vattenuttag i en dagvattendamm : En pusselbit i återanvändning av dagvatten

Hallinger, Emma LU (2022) VVAM05 20221
Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
Abstract (Swedish)
I detta examensarbete har en vägdagvattendamm i Lunds nordöstra stadsdel Brunnshög undersökts och modellerats. Syftet med studien var dels att ta fram en metod för att mäta sedimenteringshastigheter hos partiklar i dammen, dels att bygga upp en 3D-modell av dammen och simulera flödet samt fördelningen av suspenderade ämnen för på så sätt försöka avgöra var i dammen det lämpar sig bäst att ta ut vatten för återanvändning. Dammen delades in i sex olika zoner och vattenprov med suspenderat material samlades in från botten i varje zon. För mätningen av sedimenteringshastigheter mättes absorbansen i de olika proven över tid i en våglängd och översattes sedan till partikelkoncentrationer. En endimensionell modell baserad på... (More)
I detta examensarbete har en vägdagvattendamm i Lunds nordöstra stadsdel Brunnshög undersökts och modellerats. Syftet med studien var dels att ta fram en metod för att mäta sedimenteringshastigheter hos partiklar i dammen, dels att bygga upp en 3D-modell av dammen och simulera flödet samt fördelningen av suspenderade ämnen för på så sätt försöka avgöra var i dammen det lämpar sig bäst att ta ut vatten för återanvändning. Dammen delades in i sex olika zoner och vattenprov med suspenderat material samlades in från botten i varje zon. För mätningen av sedimenteringshastigheter mättes absorbansen i de olika proven över tid i en våglängd och översattes sedan till partikelkoncentrationer. En endimensionell modell baserad på Mason-Weaver-ekvationen ställdes upp i programmet COMSOL Multiphysics och resultaten från absorbansmätningen importerades till programmet för att kalibrera modellen till experimentella värden och därigenom ta fram sedimenteringshastigheter för de olika zonerna. Det visade sig att de sedimenteringshastigheter som erhölls från denna analys befann sig mellan 3,7E-6 - 5,8E-6 m/s. Det var ingen större skillnad mellan de olika zonerna och slutsatsen drogs att de modellerade sedimenteringshastigheterna som resulterade från analysen motsvarar genomsnittliga hastigheter för många olika partikelstorlekar men att små partiklar omkring 2-3 mikrometer dominerar i de prov som togs. Metoden bör vidareutvecklas genom att dela in prov i olika partikelstorleksklasser och göra analysen på dessa. För den 3-dimensionella modellen byggdes en modell av dammen upp i QGIS och Fusion360 med hjälp av fältmätningar av dammens djup och data inhämtad från Lantmäteriets GET-tjänst. En avrinningsmodell för inflödet till dammen baserat på regndata från perioden maj 2022 byggdes upp i MS Excel med hjälp nivådata hämtad från ScalgoLive och kalibrerades genom att använda uppmätta nivåer från en nivågivare installerad i dammen. En CFD-modell med RANS ekvationer användes för att simulera flödet genom dammen under två regnhändelser i COMSOL Multiphysics och koncentrationen av inkommande suspenderat material baserades på prov som inhämtats från dammens inlopp och analyserats i labbet medan ett medelvärde av de sedimenteringshastigheter som analyserats i den endimensionella modellen användes för att simulera partiklarnas sedimentering. Simuleringen visade att partikelkoncentrationen blev mycket hög i dammen och att sediment samlades i zon 5, nära dammens hörn. Den tydde också på att sediment sköljdes upp från dammens botten och att det därför även bildades en hög koncentration i utgående vatten. Detta berodde på att inflödet till dammen var högt och turbulent samt att dammen var modellerad som en oföränderlig, sluten volym under simuleringens förlopp. Vad gäller valet av uttagspunkt för uppumpning till membranfilteranläggningen visade modellen att zon 2 skulle lämpa sig bäst eftersom det i denna zon samlades minst sediment i vattenkolumnen samt att det gick fortast för koncentrationen suspenderat material att minska där efter avslutad regnhändelse jämfört med i de andra zonerna. Dock är vattnet grunt i zon 2 vilket skapar en risk att munstycket till slangen tar in sediment från botten. Därför borde detta resultat tolkas med försiktighet och andra uttagspunkter lämpar sig möjligen bättre i verkligheten. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Utveckling av en metod för att förstå hur partiklar rör sig i en dagvattendamm och var de samlas.

Flera studier har gjorts där dagvattendammars rengöringseffektivitet har undersökts vad gäller avskiljning av partiklar, d.v.s. stora föroreningar. Däremot är det inte lika vanligt förekommande med studier som undersöker hur vattenflödet ser ut och var partiklar samlas i dagvattendammar. Flödesmönster i dagvattendammar är svåra att beskriva vilket gör att partiklar kan sjunka till botten olika snabbt (varierande sedimenteringshastighet) i olika delar av en damm. Inför en studie vars fokus är att återanvända dagvatten från en dagvattendamm behövdes kunskap om dammens sedimenteringsegenskaper samt var i dammen partiklar faller till botten.
... (More)
Utveckling av en metod för att förstå hur partiklar rör sig i en dagvattendamm och var de samlas.

Flera studier har gjorts där dagvattendammars rengöringseffektivitet har undersökts vad gäller avskiljning av partiklar, d.v.s. stora föroreningar. Däremot är det inte lika vanligt förekommande med studier som undersöker hur vattenflödet ser ut och var partiklar samlas i dagvattendammar. Flödesmönster i dagvattendammar är svåra att beskriva vilket gör att partiklar kan sjunka till botten olika snabbt (varierande sedimenteringshastighet) i olika delar av en damm. Inför en studie vars fokus är att återanvända dagvatten från en dagvattendamm behövdes kunskap om dammens sedimenteringsegenskaper samt var i dammen partiklar faller till botten.
Syftet med detta examensarbete var att, med hjälp av digitala verktyg och enklare mätningar i fält, försöka ta fram en enkel och billig metodik som kan användas för att avgöra sedimenteringshastigheten hos partiklar i dagvattendammar. Dessutom syftade projektet till att bygga upp en tredimensionell datormodell av en dagvattendamm avseende dammens fysiska egenskaper och tillämpa en modell som beskriver omvandling av regn till vattenflöde (avrinningsmodell) som användes tillsammans med ett avancerat beräkningsverktyg (CFD- beräkningsströmningsdynamik) för att avgöra var i dammen och när det lämpar sig att ta ut vatten för återanvändning. Detta gjordes i ett datorprogram som heter COMSOL Multiphysics.
I den första delen av projektet, som behandlade framtagandet av sedimenteringshastigheter hos partiklar, mättes ljusupptaget (absorbansen) på prov innehållandes partiklar från dammens botten som hade hämtats i olika zoner på dammen. För varje prov gjordes absorbansmätningen i en förutbestämd våglängd och pågick över ett dygn. De värden som resulterade från mätningarna inarbetades i COMSOL Multiphysics-modellen som tar fram dels hasigheten med vilken partiklarna sjunker i dammen, dels partiklarnas spridning från högre till lägre koncentrationer. Partiklarna närmast inloppet hade i genomsnitt lägst hastighet och de närmast utloppet på dammen hade högst. De erhållna hastigheterna befann sig dock mycket nära varandra i storlek och eftersom de reflekterar en genomsnittlig hastighet för alla partiklar i provet kan ingen slutsats dras angående hur partiklarnas storlek eller densitet varierar i olika zoner av dammen. Däremot kan det konstateras utifrån analysen att de hastigheter som togs fram representerar ett medelvärde för alla partiklar i provet och att små partiklar dominerar i de prov som togs från dammen.
Den tredimensionella modell som skapats av dammen användes sedan för att simulera hur vatten flödar in i dammen och hur partiklar som kommer in med vattnet fördelar sig i dammen under tiden som det regnar. Inflöde till dammen beräknades med hjälp av en avrinningsmodell som omvandlade regnets mönster till vattenflöde. Beräknings av vattnets och partiklarnas rörelsemönster i dammen gjordes också i programmet COMSOL Multiphysics.
Simuleringen av flödet genom dammen kördes över två regnhändelser och visade att det sköljs upp partiklar från dammens botten som bidrar till en hög koncentration av partiklar i vatten som lämnar dammen via dess utlopp. Vad gäller valet av uttagspunkt för uppumpning och återanvändning av dammens vatten visade modellen att det skulle lämpa sig bäst att ta upp vatten närmare inloppet eftersom det i denna zon samlades minst partiklar samt att det gick fortast (18 timmar) för partikelkoncentrationen att minska till ett förutbestämt riktvärde i denna zon efter avslutad regnhändelse, jämfört med i de andra zonerna i dammen. Dammen är dock relativt grund närmare inloppet vilket gör att det finns en risk att munstycket hamnar för nära botten och tar upp sediment. För analysen undersöktes endast ett uttagsdjup i varje zon vilket motsvarade en konstant andel av dammens djup i de olika zonerna. För att motverka att riskera komma för nära botten i den enligt modellen föreslagna zonen bör munstycket höjas upp en aning om denna punkt väljs för vattenuttag från dammen. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Hallinger, Emma LU
supervisor
organization
course
VVAM05 20221
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Water and environmental engineering, CFD, Computational Fluid Dynamics, stormwater pond, sedimentation velocities
language
Swedish
id
9103138
date added to LUP
2022-12-06 09:47:09
date last changed
2022-12-06 09:47:09
@misc{9103138,
  abstract     = {{I detta examensarbete har en vägdagvattendamm i Lunds nordöstra stadsdel Brunnshög undersökts och modellerats. Syftet med studien var dels att ta fram en metod för att mäta sedimenteringshastigheter hos partiklar i dammen, dels att bygga upp en 3D-modell av dammen och simulera flödet samt fördelningen av suspenderade ämnen för på så sätt försöka avgöra var i dammen det lämpar sig bäst att ta ut vatten för återanvändning. Dammen delades in i sex olika zoner och vattenprov med suspenderat material samlades in från botten i varje zon. För mätningen av sedimenteringshastigheter mättes absorbansen i de olika proven över tid i en våglängd och översattes sedan till partikelkoncentrationer. En endimensionell modell baserad på Mason-Weaver-ekvationen ställdes upp i programmet COMSOL Multiphysics och resultaten från absorbansmätningen importerades till programmet för att kalibrera modellen till experimentella värden och därigenom ta fram sedimenteringshastigheter för de olika zonerna. Det visade sig att de sedimenteringshastigheter som erhölls från denna analys befann sig mellan 3,7E-6 - 5,8E-6 m/s. Det var ingen större skillnad mellan de olika zonerna och slutsatsen drogs att de modellerade sedimenteringshastigheterna som resulterade från analysen motsvarar genomsnittliga hastigheter för många olika partikelstorlekar men att små partiklar omkring 2-3 mikrometer dominerar i de prov som togs. Metoden bör vidareutvecklas genom att dela in prov i olika partikelstorleksklasser och göra analysen på dessa. För den 3-dimensionella modellen byggdes en modell av dammen upp i QGIS och Fusion360 med hjälp av fältmätningar av dammens djup och data inhämtad från Lantmäteriets GET-tjänst. En avrinningsmodell för inflödet till dammen baserat på regndata från perioden maj 2022 byggdes upp i MS Excel med hjälp nivådata hämtad från ScalgoLive och kalibrerades genom att använda uppmätta nivåer från en nivågivare installerad i dammen. En CFD-modell med RANS ekvationer användes för att simulera flödet genom dammen under två regnhändelser i COMSOL Multiphysics och koncentrationen av inkommande suspenderat material baserades på prov som inhämtats från dammens inlopp och analyserats i labbet medan ett medelvärde av de sedimenteringshastigheter som analyserats i den endimensionella modellen användes för att simulera partiklarnas sedimentering. Simuleringen visade att partikelkoncentrationen blev mycket hög i dammen och att sediment samlades i zon 5, nära dammens hörn. Den tydde också på att sediment sköljdes upp från dammens botten och att det därför även bildades en hög koncentration i utgående vatten. Detta berodde på att inflödet till dammen var högt och turbulent samt att dammen var modellerad som en oföränderlig, sluten volym under simuleringens förlopp. Vad gäller valet av uttagspunkt för uppumpning till membranfilteranläggningen visade modellen att zon 2 skulle lämpa sig bäst eftersom det i denna zon samlades minst sediment i vattenkolumnen samt att det gick fortast för koncentrationen suspenderat material att minska där efter avslutad regnhändelse jämfört med i de andra zonerna. Dock är vattnet grunt i zon 2 vilket skapar en risk att munstycket till slangen tar in sediment från botten. Därför borde detta resultat tolkas med försiktighet och andra uttagspunkter lämpar sig möjligen bättre i verkligheten.}},
  author       = {{Hallinger, Emma}},
  language     = {{swe}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Avrinnings- och CFD-modellering för optimalt vattenuttag i en dagvattendamm : En pusselbit i återanvändning av dagvatten}},
  year         = {{2022}},
}