Smoothed Particle Hydrodynamics in Urban Water Management

Projekt: SPHASE - Smoothed Particle Hydrodynamics Activated Sludge Engine
Geldgeber: FWF - Der Wissenschaftsfonds

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Projektleiter: Wolfgang RAUCH
Mitarbeiter: Michael MEISTER, Daniel WINKLER, Massoud REZAVAND
Partner: IWA Working Group on Computational Fluid Dynamics (CFD) for Unit Processes
Projektdauer: 01.06.2014 - 31.05.2018 
Keywords: Water purification, Aerated flows, Fluid mechanics, Smoothed particle hydrodynamics, Numeric computation, Biological kinetics
Wissenschaftsdisziplinen:

  • 40% 207 Umweltingenieurwesen, Angewandte Geowissenschaften
  • 20% 102 Informatik
  • 20% 105 Geowissenschaften
  • 20% 201 Bauwesen

Kurzbeschreibung:

SPH integrated treatment plant

Die Forschung im Bereich der Abwasserreinigung basiert bis heute auf Modellversuchen im kleinen Maßstab. Aufgrund der Verbesserung der Rechenleistung gewann in den letzten beiden Jahren die computergestützte Modellierung enorm an Bedeutung. Das von Henze et al., 1987 entwickelte Aktivschlamm-Modell (ASM) wurde durch eine Vielzahl an Experimenten validiert und ist als etabliertes Modell zur Beschreibung von biochemischen Prozessen anerkannt. Allerdings geht dieses Konzept von einer vollständigen Durchmischung der Reaktoren aus und vernachlässigt damit den Einfluss der Hydrodynamik. Um diese unphysikalische Vereinfachung zu beheben, setzen einige Forschungsgruppen mittlerweile numerische Strömungssimulationen (CFD) ein, um die Hydrodynamik der Abwasserreinigung detailliert zu beschreiben (Le Moullec et al., 2010; Zima et al., 2009; Wang et al., 2010). Allerdings sind die zugrundeliegenden komplexen Mehrphasenströmungen nur schwer mit konventionellen gitterbasierten CFD Methoden zu lösen.

SPH basics

Im Rahmen des Projekts SPHASE wird eine numerische Modellierungsroutine für Aktivschlammsimulationen basierend auf der „Smoothed Particle Hydrodynamics“ Methode (SPH) entwickelt. Aufgrund der vollständigen Lagrangeschen Formulierung hat SPH im Vergleich zu konventionellen CFD Methoden wesentliche Vorteile für den Einsatz in der Abwasserreinigung. SPH erlaubt unmittelbar die Simulation von Mehrphasenströmungen (Colagrossi et al., 2003), kann die Zeitentwicklung von Prozessraten (Aristodemo et al., 2010) und Transportvorgänge (Tartakovsky et al., 2007) beschreiben. Weitere Vorteile finden sich in der einfacheren Beschreibung von Reaktorgeometrien, Belüftungssystemen, Änderungen in Betriebszuständen und einem direkteren Zugang zu GPU Implementierungen. Daher ist SPH die ideale Methode, um die Hydrodynamik der Abwasserreinigung zu simulieren. Das Konzept des Projekts SPHASE sieht die Entwicklung eines physikalisch vollständigen Zweiphasen SPH Modells vor, wobei die Zeitentwicklung der Sauerstoffkonzentration durch eine advektive Diffusionsgleichung beschrieben wird. Dann werden Berechnungsroutinen wichtiger physikalischer Parameter für biochemische Prozesse (z.B. der Sauerstofftransferrate) hinzugefügt. Der wesentliche Ansatz des Projekts ist dann die Kopplung zwischen der lokal aufgelösten Hydrodynamik und dem ASM Modell, wodurch lokale Einflüsse in den biochemischen Prozessen berücksichtigt werden. Dabei wird die Schnittstelle zur Kopplung in SPHASE über die gelöste Sauerstoffkonzentration (SO) hergestellt. Zusammenfassend ist SPHASE ein Grundlagenforschungsprojekt und hat zum Ziel, die SPH Methode so weiterzuentwickeln, dass biophysikalische Prozesse der Umwelttechnik mit einem speziellen Fokus auf die Abwasserreinigung simuliert werden können. In SPHASE wird SPH erstmalig in der Abwasserreinigung angewendet und kann daher als Methode in diesem Wissenschaftsgebiet etabliert werden. Das beantragte Projekt hat einen hochgradig innovativen Charakter und die Wichtigkeit reicht von den Wissenschaftsgebieten der Abwasserreinigung und Siedlungswasserwirtschaft bis zur Strömungslehre, Hydraulik und computergestützten Simulationen.

Dieses Forschungsprojekt wird finanziert vom österreichischen Wissenschaftsfond (FWF): Projekt [P26768-N28]

Weitere Links:

Artikel in wissenschaftlichen Journals und Konferenzen:

Publikationen 2018

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Zeitschriftenaufsatz (Originalarbeit)
  • Meister, Michael; Rezavand, Massoud; Ebner, Christian; Pümpel, Thomas; Rauch, Wolfgang (2018): Mixing non-Newtonian flows in anaerobic digesters by impellers and pumped recirculation.
    In: Advances in Engineering Software 115, S. 194 - 203. (Weblink)

  • Rezavand, Massoud; Taeibi-Rahni, Mohammad; Rauch, Wolfgang (2018): An ISPH scheme for numerical simulation of multiphase flows with complex interfaces and high density ratios.
    In: Computers & Mathematics With Applications 75/8, S. 2658 - 2677. (DOI) (Weblink)

  • Winkler, Daniel; Haltmeier, Markus; Kleidorfer, Manfred; Rauch, Wolfgang; Tscheikner-Gratl, Franz (2018): Pipe failure modelling for water distribution networks using boosted decision trees.
    In: Structure and Infrastructure Engineering 14/10, S. 1402 - 1411. (DOI) (Weblink)

  • Winkler, Daniel; Rezavand, Massoud; Rauch, Wolfgang (2018): Neighbour lists for smoothed particle hydrodynamics on GPUs.
    In: Computer Physics Communications 225, S. 140 - 148. (DOI) (Weblink)

  • Winkler, Daniel; Zischg, Jonatan; Rauch, Wolfgang (2018): Virtual reality in urban water management: communicating urban flooding with particle based CFD simulations.
    In: Water Science and Technology 77/2, S. 518 - 524. (DOI) (Weblink)

  • Zischg, Jonatan; Zeisl, Peter; Winkler, Daniel; Rauch, Wolfgang; Sitzenfrei, Robert (2018): On the sensitivity of geospatial Low Impact Development locations to the centralized sewer network.
    In: Water Science and Technology 77/7, S. 1851 - 1860. (DOI) (Weblink)



Vorträge 2018

Präsentationen auf Kongressen, Tagungen o.Ä.

Konferenzvortrag (auf persönliche Einladung)
  • Vortragende/r: Winkler, Daniel: Virtual Reality in der Siedlungsentwässerung.
    Kanalmanagement 2018, Wien, 05.04.2018. (Weblink)



Publikationen 2017

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Zeitschriftenaufsatz (Originalarbeit)
  • Meister, Michael; Winkler, Daniel; Rezavand, Massoud; Rauch, Wolfgang (2017): Integrating hydrodynamics and biokinetics in wastewater treatment modelling by using smoothed particle hydrodynamics.
    In: COMPUTERS & CHEMICAL ENGINEERING 99, S. 1 - 12. (DOI) (Weblink)

  • Winkler, Daniel; Meister, Michael; Rezavand, Massoud; Rauch, Wolfgang (2017): gpuSPHASE—A shared memory caching implementation for 2D SPH using CUDA.
    In: Computer Physics Communications 213, S. 165 - 180. (DOI) (Weblink)

Beitrag in Proceedingsband (Full Paper)
  • Rezavand, Massoud; Winkler, Daniel; Rauch, Wolfgang (2017): Integrated Numerical Simulation of Anaerobic Digestion Process Using Smoothed Particle Hydrodynamics.
    In: Crespo, A.J.C.; Gómez-Gesteira, M.; Altomare, C. (Ed.): Proceedings of the 12th International SPHERIC Workshop, Ourense, 13-15 June 2017, Universidade de Vigo, Spain. Vigo: Universidade de Vigo, ISBN 978-84-697-3678-4, S. 426 - 433.

  • Winkler, D.; Zischg, J.; Rauch, W. (2017): Virtual reality in urban water management: Communicating urban flooding with particle based CFD simulations.
    In: Proceedings of 14th International Conference on Urban Drainage (ICUD 2017). Prag: Tschechische Technische Universität Prag, S. 18 - 25.

  • Zischg, J.; Zeisl, P.; Winkler, D.; Rauch, W.; Sitzenfrei, R. (2017): Sensitivity analysis of green/blue infrastructure placement on the urban drainage network performance.
    In: Proceedings of 14th International Conference on Urban Drainage (ICUD 2017). Prag: Tschechische Technische Universität Prag, S. 737 - 742.

Medienbeiträge

Beitrag in Publikumszeitschrift
  • Winkler, Daniel: Die Flut kommt!
    In: Innovation in Tirol - Das Magazin zu Forschung und Entwicklung vom 07.12.2017. (Weblink)

Beitrag in Zeitung
  • Winkler, Daniel: Gegen Hochwasser: Uni Innsbruck simuliert Überflutungen am Computer.
    In: Tiroler Tageszeitung vom 27.11.2017.



Vorträge 2017

Präsentationen auf Kongressen, Tagungen o.Ä.

Konferenzvortrag (auf Einreichung / Anmeldung)
  • Vortragende/r: Winkler, Daniel Co-AutorInnen: Zischg, Jonatan; Rauch, Wolfgang: Virtual reality in urban water management: Communicating urban flooding with particle based CFD simulations.
    14th IWA/IAHR International Conference on Urban Drainage (ICUD 2017), Prag, 11.09.2017. (Weblink)

  • Vortragende/r: Zischg, Jonatan Co-AutorInnen: Zeisl, Peter; Winkler, Daniel; Rauch, Wolfgang; Sitzenfrei, Robert: Sensitivity analysis of green/blue infrastructure placement on the urban drainage network performance.
    14th IWA/IAHR International Conference on Urban Drainage (ICUD 2017), Prag, 11.09.2017. (Weblink)

Vortrag bei Summer-/Winterschool
  • Vortragende/r: Winkler, Daniel Co-AutorInnen: Rezavand, Massoud; Rauch, Wolfgang: Platform independent HPC development with OpenACC.
    4th Winterschool of the Doctoral Programme DK+CIM - Computational Interdisciplinary Modelling, Obergurgl, 08.02.2017. (Weblink)

Vortrag bei Projektmeeting / Forschungskooperationstreffen
  • Vortragende/r: Meister, Michael: Numerische Simulationen zur Beschreibung der Durchmischung von Faultürmen.
    Forschungskooperationstreffen Abwasserverband Achental-Inntal-Zillertal, Strass, 09.01.2017.

Posterpräsentation
  • Vortragende/r: Rezavand, Massoud Co-AutorInnen: Winkler, Daniel; Rauch, Wolfgang: Integrated Numerical Modeling of Anaerobic Digestion Using SPH Method.
    4th Winterschool of the Doctoral Programme DK+CIM - Computational Interdisciplinary Modelling, Obergurgl, 07.02.2017. (Weblink)

  • Vortragende/r: Winkler, Daniel Co-AutorInnen: Rezavand, Massoud; Rauch, Wolfgang: A 2D CUDA SPH implementation using shared memory caching.
    4th Winterschool of the Doctoral Programme DK+CIM - Computational Interdisciplinary Modelling, Obergurgl, 08.02.2017. (Weblink)

Vorträge für die Öffentlichkeit

Öffentlicher Vortrag
  • Rauter, Matthias: Predicting Natural Hazards with Neuronal Networks.
    Europäisches Forum Alpbach - Tirol Tag, Alpbach, 19.08.2017. (Weblink)



Publikationen 2016

Selbstständige Veröffentlichungen

Monographie, wissenschaftliche
  • Meister, Michael (2016): Smoothed Particle Hydrodynamics in Urban Water Management. Innsbruck: innsbruck university press (IUP) (= Forum Umwelttechnik und Wasserbau, 21). ISBN 978-3-903122-06-2. (Weblink)

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Zeitschriftenaufsatz (Originalarbeit)
  • Meister, Michael; Rauch, Wolfgang (2016): Wastewater treatment modelling with smoothed particle hydrodynamics.
    In: Environmental Modelling & Software 75, S. 206 - 211. (URN) (DOI) (Weblink)

Beitrag in Proceedingsband (Full Paper)
  • Meister, Michael; Rezavand, Massoud; Winkler, Daniel; Rauch, Wolfgang (2016): A GPU-Compatible Scheme for Coupling SPH to Process-Based Wastewater Treatment Models.
    In: Proceedings of the 11th SPHERIC International Conference. München: Technische Universität München, ISBN 9-783000-533587, S. 305 - 312.

  • Rezavand, Massoud; Meister, Michael; Winkler, Daniel; Rauch, Wolfgang; Taeibi-Rahni, Mohammed (2016): A simple ISPH algorithm for two-phase flows with high density ratios.
    In: Proceedings of the 11th SPHERIC International Conference. München: Technische Universität München, ISBN 9-783000-533587, S. 61 - 68.

  • Winkler, Daniel; Meister, Michael; Rezavand, Massoud; Rauch, Wolfgang (2016): SPHASE—Smoothed Particle Hydrodynamics in Wastewater Treatment.
    In: Pathak, C.S; Reinhart, D.: Proceedings - World Environmental and Water Resources Congress 2016: Water, Wastewater, and Stormwater and Urban Watershed Symposium. Reston: American Society of Civil Engineering (ASCE), ISBN 978-0-7844-7988-9, S. 303 - 311. (DOI)

Beitrag in Proceedingsband (Abstract)
  • Meister, Michael; Rauch, Wolfgang (2016): Smoothed particle hydrodynamics - an innovative method for solving fluid dynamics problems in urban water management.
    In: IWA World Water Congress and Exhibition. London: IWA Publishing. (Weblink)

Medienbeiträge

Beitrag in Publikumszeitschrift
  • Meister, Michael: Fragezeichen Yachtrevue: Warum kann ein Segelboot schneller als der Wind werden?
    In: Yachtrevue vom 01.05.2016.



Vorträge 2016

Präsentationen auf Kongressen, Tagungen o.Ä.

Konferenzvortrag (Invited Plenary / Keynote Lecture)
  • Vortragende/r: Meister, Michael: Assets and Drawbacks of Smoothed Particle Hydrodynamics in Urban Water Management.
    Workshop der Süddeutschen Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), Stuttgart, 15.11.2016. (Weblink)

Konferenzvortrag (auf persönliche Einladung)
  • Vortragende/r: Dunca, Borman Co-AutorInnen: Meister, Michael: Coupling biokinetic and hydrodynamic models for wastewater process modelling.
    Modelling techniques for optimising wastewater treatment plant performance, Leeds, 21.04.2016. (Weblink)

Konferenzvortrag (auf Einreichung / Anmeldung)
  • Vortragende/r: Meister, Michael Co-AutorInnen: Rezavand, Massoud; Winkler, Daniel; Rauch, Wolfgang: A GPU-Compatible Scheme for Coupling SPH to Process-Based Wastewater Treatment Models.
    11th SPHERIC International Conference, Garching, 16.06.2016. (Weblink)

  • Vortragende/r: Rauch, Wolfgang Co-AutorInnen: Meister, Michael: Smoothed particle hydrodynamics - an innovative method for solving fluid dynamics problems in urban water management.
    IWA World Water Congress and Exhibition, Brisbane, 09.10.2016. (Weblink)

  • Vortragende/r: Rezavand, Massoud Co-AutorInnen: Meister, Michael; Winkler, Daniel; Rauch, Wolfgang: A simple ISPH algorithm for two-phase flows with high density ratios.
    11th SPHERIC International Conference, Garching, 14.06.2016. (Weblink)

  • Vortragende/r: Winkler, Daniel Co-AutorInnen: Meister, Michael; Rezavand, Massoud; Rauch, Wolfgang: SPHASE - Smoothed Particle Hydrodynamics in Wastewater Treatment.
    World Environmental & Water Resources Congress 2016, West Palm Beach, FL, 23.05.2016. (Weblink)

Gastvorträge

Gastvortrag
  • Vortragende/r: Meister, Michael: Smoothed Particle Hydrodynamics in Wastewater Treatment – Coupling CFD to Process-Based Biokinetic Wastewater Treatment Models.
    School of Civil Engineering, Leeds, 12.01.2016.

Vortrag bei Berufungsverfahren
  • Meister, Michael: Process control in wastewater treatment plants.
    Management Center Innsbruck (MCI), Innsbruck, 21.11.2016. (Weblink)



Publikationen 2015

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Zeitschriftenaufsatz (Originalarbeit)
  • Meister, Michael; Fleischhacker, Nikolaus; Rauch, Wolfgang (2015): Smoothed Particle Hydrodynamics – partikelbasierte Strömungsberechnung zur Anwendung in der Siedlungswasserwirtschaft.
    In: Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft 67/3-4, S. 148 - 152. (URN) (DOI) (Weblink)

  • Meister, Michael; Rauch, Wolfgang (2015): Modelling aerated flows with smoothed particle hydrodynamics.
    In: Journal of Hydroinformatics 17/4, S. 493 - 504. (URN) (DOI) (Weblink)

Beitrag in Proceedingsband (Full Paper)
  • Bergmeister, Christoph; Meister, Michael; Winkler, Daniel; Rauch, Wolfgang (2015): Reducing the Particle Refinement Error of the Density Summation and the Kernel Gradient.
    In: Proceeding of the 10th SPHERIC International conference. Parma: Universitá degli Studi di Parma, elektr..

  • Meister, Michael; Bergmeister, Christoph; Winkler, Daniel; Rauch, Wolfgang (2015): Activated sludge modelling with smoothed particle hydrodynamics.
    In: E-proceedings of the 36th IAHR World Congress "Deltas of the Future and what happens upstream". 28 June – 3 July, 2015, The Hague, the Netherlands. Madrid: International Association for Hydro-Environment Engineering and Research (IAHR), ISBN 978-90-824846-0-1, S. 1 - 5. (Weblink)



Vorträge 2015

Präsentationen auf Kongressen, Tagungen o.Ä.

Konferenzvortrag (auf Einreichung / Anmeldung)
  • Vortragende/r: Meister, Michael Co-AutorInnen: Bergmeister, Christoph; Winkler, Daniel; Rauch, Wolfgang: Activated sludge modelling with smoothed particle hydrodynamics.
    36th IAHR World Congress (International Association for Hydro-Environment Engineering and Research) - "Deltas of the Future and what happens upstream", Den Haag, 29.06.2015. (Weblink)

  • Vortragende/r: Meister, Michael Co-AutorInnen: Bergmeister, Christoph; Winkler, Daniel; Rauch, Wolfgang: Reducing the Particle Refinement Error of the Density Summation and the Kernel Gradient.
    10th SPHERIC International Conference, Parma, 17.06.2015. (Weblink)

Vortrag bei Projektmeeting / Forschungskooperationstreffen
  • Vortragende/r: Rezavand, Massoud: SPHAUL - Integrated Modelling of anaerobic digestion with SPH.
    SPHAUL Project Meeting, Innsbruck, 02.12.2015. (Weblink)

  • Vortragende/r: Winkler, Daniel: Integrated Wastewater Treatment Modelling with Smoothed Particle Hydrodynamics.
    3rd Winterschool & Retreat of the Doctoral School DK+CIM - Computational Interdisciplinary Modelling, Obergurgl, 26.11.2015. (Weblink)

Posterpräsentation
  • Vortragende/r: Rezavand, Massoud Co-AutorInnen: Winkler, Daniel; Meister, Michael; Rauch, Wolfgang: Smoothed Particle Hydrodynamics in Environmental Engineering.
    3rd Winterschool & Retreat of the Doctoral School DK+CIM - Computational Interdisciplinary Modelling, Obergurgl, 27.11.2015. (Weblink)

  • Vortragende/r: Winkler, Daniel Co-AutorInnen: Meister, Michael: Integrated Wastewater Treatment Modelling with Smoothed Particle Hydrodynamics.
    Retreat of the doctoral school DK+CIM Computational Interdisciplinary Modelling, Innsbruck, 27.02.2015.



Publikationen 2014

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Zeitschriftenaufsatz (Originalarbeit)
  • Meister, Michael; Burger, Gregor; Rauch, Wolfgang (2014): On the Reynolds number sensitivity of smoothed particle hydrodynamics.
    In: Journal of Hydraulic Research 52/6, S. 824 - 835. (URN) (DOI) (Weblink)

Sammelbandaufsatz (Originalarbeit)
  • Sitzenfrei, Robert; Kleidorfer, Manfred; Meister, Michael; Burger, Gregor; Urich, Christian; Mair, Michael; Rauch, Wolfgang (2014): Scientific Computing in Urban Water Management.
    In: Hofstetter, Günter: Computational Engineering. Dordrecht - Heidelberg - London - New York - Berlin: Springer, ISBN 978-3-319-05932-7, S. 173 - 193. (DOI) (Weblink)

Beitrag in Proceedingsband (Full Paper)
  • Meister, Michael; Fleischhacker, Nikolaus; Rauch, Wolfgang (2014): Anwendung von Smoothed Particle Hydrodynamics in der Siedlungswasserwirtschaft.
    In: Aqua Urbanica 2014. Misch- und Niederschlagswasserbehandlung im urbanen raum. Wien: Österreichischer Wasser- und Abfallwirtschaftsverband (ÖWAV), ISBN 978-3-902978-28-8, online. (DOI)

  • Meister, Michael; Rauch, Wolfgang (2014): Simulating Rising Bubble Problems with Smoothed Particle Hydrodynamics.
    In: Proceedings of the IMA Conference on Mathematical Modelling of Fluid Systems, 10-12 Sept 2014, Bristol. Essex: Institute of Mathematics and its Applications, S. 1 - 9.

Beitrag in Proceedingsband (Abstract)
  • Meister, Michael; Rauch, Wolfgang (2014): Simulating Rising Bubble Problems with Smoothed Particle Hydrodynamics.
    In: Proceedings of the IMA Conference on Mathematical Modelling of Fluid Systems, 10-12 Sept 2014, Bristol. Essex: Institute of Mathematics and its Applications, elektronisch.



Vorträge 2014

Präsentationen auf Kongressen, Tagungen o.Ä.

Konferenzvortrag (auf Einreichung / Anmeldung)
  • Vortragende/r: Meister, Michael: Multiphase Simulations of Activated Sludge Basins with Smoothed Particle Hydrodynamics.
    Computational Fluid Dynamics for Dispersed Multiphase Flows IV, München, 03.04.2014. (Weblink)

  • Vortragende/r: Meister, Michael Co-AutorInnen: Fleischhacker, Nikolaus; Rauch, Wolfgang: Anwendung von Smoothed Particle Hydrodynamics in der Siedlungswasserwirtschaft.
    Aqua Urbanica 2014 "Misch- und Niederschlagswasserbehandlung im urbanen Raum", Innsbruck, 24.10.2014.

  • Vortragende/r: Meister, Michael; Burger, Gregor; Rauch, Wolfgang: Simulating Rising Bubble Problems with Smoothed Particle Hydrodynamics.
    IMA Conference on Mathematical Modelling of Fluid Systems, Bristol, 10.09.2014. (Weblink)



Vorträge 2013

Präsentationen auf Kongressen, Tagungen o.Ä.

Vortrag bei Projektmeeting / Forschungskooperationstreffen
  • Vortragende/r: Meister, Michael; Burger, Gregor: Smoothed Particle Hydrodynamics in Urban Water Management.
    SPH Symposium Innsbruck, Innsbruck, 18.12.2013.