Raportti Lahti Aqua Oy Ilmastusaltaan CFD-mallinnus

Transkriptio

1 Raportti Lahti Aqua Oy Ilmastusaltaan CFD-mallinnus

2 2 Raportti Pöyry Finland Oy P.O.Box 16 (Jaakonkatu 3 ) FI Vantaa Finland Domicile Vantaa, Finland Business ID Tel Fax Date 13 September, 2010 Rev A. 14 April, 2011 Ref. No 16WW0240-E0001 LAHTI AQUA OY Kariniemen ilmastusaltaan saneeraus Ilmastusaltaan CFD-mallinnus Page 2 (61) Rev. A Contact Timo Lappalainen Direct dial Mobile timo.lappalainen@poyry.com Sisällys 1 JOHDANTO CFD-MALLI TULOKSET CASE 1: 3,0 M 2 AUKOT VÄLISEINISSÄ, KESKIMÄÄRÄINEN VIRTAAMA CASE 2: 3,0 M 2 AUKOT VÄLISEINISSÄ, MAKSIMIVIRTAAMA CASE 3: 1,0 M 2 AUKOT VÄLISEINISSÄ, KESKIMÄÄRÄINEN VIRTAAMA CASE 4: 1,0 M 2 AUKOT VÄLISEINISSÄ, MAKSIMIVIRTAAMA CASE 5: 1,0 M 2 AUKOT VÄLISEINISSÄ, KESKIMÄÄRÄINEN VIRTAAMA, POISTOAUKOT SIJOITETTUNA VASTAKKAISELLE PUOLELLE TAPAUKSEEN KOLME NÄHDEN YHTEENVETO KOKO ALTAAN KUVAT CASE 1: 3,0 M2 AUKOT VÄLISEINISSÄ, KESKIMÄÄRÄINEN VIRTAAMA CASE 2: 3,0 M2 AUKOT VÄLISEINISSÄ, MAKSIMIVIRTAAMA CASE 3: 1,0 M 2 AUKOT VÄLISEINISSÄ, KESKIMÄÄRÄINEN VIRTAAMA CASE 4: 1,0 M 2 AUKOT VÄLISEINISSÄ, MAKSIMIVIRTAAMA CASE 5: 1,0 M 2 AUKOT VÄLISEINISSÄ, KESKIMÄÄRÄINEN VIRTAAMA, POISTOAUKOT SIJOITETTUNA VASTAKKAISELLE PUOLELLE TAPAUKSEEN KOLME NÄHDEN Liitteet Jakelu Liite 1. Altaan layout piirustus Lahti Aqua Oy, JHSA, KNS, ATH, TXL Orig /TXL /JHSa /KMS /TXL Original issue Rev. Date/Author Date/Checked Date/Approved Date/Issued Notes A /TXL /JHSa /KNS /TXL

3 3 1 JOHDANTO Pöyry Finland Oy on suunnitellut Lahti Aqua Oy:lle Kariniemen jätevedenpuhdistamon ilmastuksen saneerauksen. Saneerauksen tavoitteena on uudistaa ilmastuksen lohkojako ja ajotapa siten, että laitoksen ajoa voidaan nykyistä paremmin mukauttaa vallitsevien olosuhteiden mukaiseksi ja siten optimoida käsittelytulos. Saneerauksen yhteydessä uusitan mm. ilmastimet, ilmastinryhmien jako, lohkojen väliseinät ja DN-kierrätyslietteen pumput. Kariniemen jätevedenpuhdistamo sijaitsee Lahden keskustassa Vesijärven rannalla. Laitos on louhittu kallioon ja on siten kokonaisuudessaan katettu. Laitokselle johdetaan Lahden keskustan ja muiden Salpausselän pohjoispuolisten kaupunginosien jätevedet sekä teollisuusvesiä. Esikäsittelynä on välppäys, hiekanerotus, esi-ilmastus ja esiselkeytys. Aktiivilieteprosessi on esidenitrifikaatioperiaatteella toimiva yksilieteprosessi. Ilmastuslinjoja on 3 kpl U-muotoisia parialtaita, jotka saneerauksen yhteydessä jaetaan kahdeksaan lohkoon. Ensimmäiseen lohkoon johdetaan esiselkeytetty jätevesi, palautusliete jälkiselkeytyksestä ja DN-kierrätysliete altaan lopusta. Ensimmäinen lohko on varustettu pelkästään sekoituksella, lohkot 2 4 sekoituksella ja ilmastuksella, lohkot 5-7 ilmastuksella ja lohko 8 toimii sekoitettuna kaasunpoistolohkona. Ilmastuksesta vesi johdetaan suorakaiteenmuotoisiin jälkiselkeyttimiin. Jälkiselkeytyksen jälkeen vedet yhtyvät ja ne johdetaan kalliotunnelia pitkin Salpausselän ali Nikulan altaaseen ja sieltä edelleen Porvoonjokeen. Fosfori saostetaan ferrosulfaatilla, jota syötetään hiekanerotukseen ja ilmastuksen loppuun. Kuvassa 1 on esitetty Kariniemen puhdistamon toimintaperiaate. Kuva 1. Kariniemen jäteveden puhdistusprosessi.

4 4 Tämän työn tarkoituksena on ollut osaltaan tukea Lahti Aqua Oy Kariniemen puhdistamon ilmastusaltaan suunnittelua ja selvittää sen virtausteknistä toimintaa numeerista virtauslaskentaa (CFD) hyväksikäyttäen. Laskennan avulla pyritään varmistamaan, että: jäteveden sekoittuminen ilmastusaltaan jokaisessa lohkossa on riittävän tehokasta ilmastusaltaan lohkojen väliseinäratkaisut ovat virtausteknisesti järkeviä. Kolmiulotteinen laskentamalli on toteutettu Pöyry Finland Oy:n laatiman layoutin pohjalta. Tämä työ rajoittuu sekoittimilla varustetun ilmastusaltaan lohkojen 1-4 tarkasteluun, ks. kuva 2. Hankkeen tilaajana on Lahti Aqua Oy ja hanke on rahoitettu osittain Vesi- ja viemärilaitosyhdistyksen vesihuoltolaitosten kehittämisrahaston tuella. 2 CFD-MALLI Numeerinen virtauslaskenta (Computational Fluid Dynamics, CFD) on tärkeä osa teollisuuden suunnitteluprosessia ja on viime aikoina alkanut yleistyä myös vesihuoltoteknisessä suunnittelussa. Vesihuoltoteknisiä soveltamiskohteita ovat mm. puhdasvesialtaat ja ilmastusaltaat. Yleisesti ottaen virtauslaskentaa voidaan suositella kaikkiin vesihuoltokohteisiin, joissa prosessitekniset syyt vaativat veden vaihtumisen tai sekoittumisen riittävän hyvää tuntemista ja hallintaa. Virtauslaskennalla tarkoitetaan virtaavien aineiden massan, liikemäärän ja energian taseyhtälöiden numeerista ratkaisemista. Tässä työssä käytettiin Ansys Fluent - ohjelmistoa, joka on suunniteltu nesteiden ja kaasujen virtausten, lämmönsiirron ja kemiallisten reaktioiden mallintamiseen. CFD-mallinnuksessa kappaleesta tai prosessin osasta laaditaan kolmiulotteinen malli, johon määritellään virtauksen kannalta oleelliset komponentit ja lähtötiedot sekä reunaehdot, joiden rajoissa laskenta ratkaistaan. Mallinnuksen tuloksena saadaan mm. virtausnopeus, lämpötila ja painehäviö koko mallinnetussa tilassa. Tutkitun jätevesialtaan laskentahila koostuu noin 1,5 miljoonasta tetraedrin muodostamasta laskentatilavuudesta. Altaan yläosassa laskenta rajoittuu viiden metrin vesipintaan asti. Sisäänvirtauksissa on käytetty massavirtareunaehtoa ja ulosvirtauksessa painereunaehtoa. Mallinnetut geometriat on esitetty kunkin tapauksen tulosten tarkastelun yhteydessä. Taulukoissa 1 on esitetty mallinnetut tapaukset. Laskennassa veden virtaus oletettiin stationääriseksi ja tasaisesti jakautuneeksi syöttöaukkojen poikkipinta-alalle. Kokoonpuristumattoman virtauksen jatkuvuusyhtälö käsiteltiin painekorjausmenetelmällä. Työssä käytettiin k- turbulenssimallia sekä seinämäfunktiota turbulenttiselle rajakerrokselle. Jotta turbulenssin tarkkuus ei häviäisi numeeriseen virheeseen, työssä käytetään toisen kertaluvun diskretointia. Betonin pinnankarheuden arvona käytettiin 2 mm. Altaaseen syötettävän jäteveden lämpötilana käytettiin +4 C ja tiheytenä 1000 kg/m 3. Laskennassa ei ole huomioitu jäteveden sisältämää orgaanista kiintoainetta. Altaan pohjassa olevia ilmastusputkia ei myöskään ole huomioitu laskennoissa. Ilmastusallas on 50 metriä pitkä, 7 metriä leveä ja 5 metriä syvä. Se on jaettu neljään lohkoon väliseinien avulla. Väliseinän ja altaan pohjan välillä on 150 mm korkuinen aukko, joka mahdollistaa mm. altaan pohjan puhdistamisen huoltotöiden yhteydessä.

5 5 Pinnalla väliseinä on 150 mm alempana, kuin vesipinta. Tämän ansiosta veden pinnalle muodostuva pintaliete pääsee virtaamaan altaassa eteenpäin. Ensimmäisen lohkon tilavuus on 446 m 3, toisen 438 m 3, kolmannen 454 m 3 ja neljännen lohkon tilavuus 446 m 3. Jokaisessa lohkossa on FLYGTin kaksisiipiset matalakierroksiset sekoittimet. Sekoittimet on sijoitettu altaiden välisen väliseinän puolelle ja ne on käännetty 45 kulmaan tulovirtausta vasten. Sekoittimen pyörimisnopeus on 27 rpm/min. Siipien kärkivälien halkaisija on 1800 mm. Sekoittimen navan korkeus on 3000 mm veden pinnan alapuolella. Sekoittimen geometria mallinnettiin laserkeilauksesta saadun tuloksen perusteella. Taulukko1. Lasketut tapaukset. Case Kuvaus Case 1 3,0 m 2 aukot väliseinissä, keskimääräinen virtaama Case 2 3,0 m 2 aukot väliseinissä, maksimivirtaama Case 3 1,0 m 2 aukot väliseinissä, keskimääräinen virtaama Case 4 1,0 m 2 aukot väliseinissä, maksimivirtaama Case 5 1,0 m 2 aukot väliseinissä, keskimääräinen virtaama, aukot sijoitettu vastakkaiselle puolelle tapaukseen 3 nähden 3 TULOKSET 3.1 Case 1: 3,0 m 2 aukot väliseinissä, keskimääräinen virtaama Laskennat aloitettiin tutkimalla allasta, jossa väliseinien aukkojen koko on 3 m 2. Aukot sijaitsevat virtaussuunnassa seuraavasti: - lohkojen 1 ja 2 välinen aukko oikealla alhaalla - lohkojen 2 ja 3 välinen aukko vasemmalla ylhäällä - ja lohkojen 3 ja 4 välinen aukko oikealla alhaalla. Kuvassa 2 on esitetty mallinnetun altaan rakenne. Altaaseen tulevan jäteveden tilavuusvirta on 290 m 3 /h, palautuslietteen tilavuusvirta on 290 m 3 /h ja kierrätyslietteen tilavuusvirta on 580 m 3 /h. Tulevan jäteveden, palautuslietteen ja kierrätyslieteen tulokanavat sijaitsevat altaan alkupäässä. Poistokanavat sijaitsevat altaan loppupäässä altaiden välisessä väliseinässä.

6 6 Palautusliete Tulevajätevesi Päätyseinä Sisäseinä Ulosvirtaus Kierrätysliete Päätyseinä Väliseinät Vaakasekoittimet Kuva 2. Kuvassa on esitetty mallinnetun altaan rakenne. Altaan ulkoseinää ei ole esitetty kuvassa. 1. Lohko Suurin osa palautuslietteestä ohjautuu altaan seinämän vierestä keskemmälle allasta ja joutuu sekoittimen imun vaikutukseen. Sekoitin saa aikaan voimakkaan suihkuvaikutuksen. Vesi virtaa 45 kulmassa takaisin kohti altaan pääty- ja ulkoseinää ja kääntyy virtauksen aiheuttaman voiman ja seinien ansiosta takaisin sekoittimen suuntaan sekoittimen suunnasta katsottuna sekä vasemmalle että oikealle. Sekoitussuihku suuntautuu altaan vastakkaisiin seiniin noin 0,25 m/s nopeudella. Tuleva jätevesi käyttäytyy palautuslietteen tavoin. Se joutuu sekoittimen imun vaikutukseen ja virtaa takaisin altaan alkupäähän sekoittuen samalla palautuslietteeseen. Osa tulevasta jätevedestä kuitenkin laskeutuu sisäseinän vieressä lähelle altaan pohjaa, jonne muodostuu alue, jossa sekoittimen imun teho ei vaikuta, vaan vesi pääsee virtaamaan suoraan ensimmäisen ja toisen lohkon väliseen poistoaukkoon. Ilmiötä edesauttaa myös se, että väliseinän vieressä poistoaukkoa kohden virtaava vesi pakottaa tulevan jäteveden virtaamaan altaan sisäseinän läheisyydessä. Poistoaukon suulla nopeus kasvaa, joka myös tehostaa tämän haitallisen oikovirtauksen syntymistä. Putkesta veden pinnan alapuolelle syötettävä kierrätysliete virtaa kohden altaan päätyseinää, josta se kääntyy takaisin päävirtauksen suuntaan. Sekoittimen aiheuttama imu kääntää sen takaisin ja se sekoittuu tulevaan jäteveteen ja kierrätyslietteeseen. Vesi poistuu ensimmäisestä lohkosta toiseen lohkoon nousten altaan ensin altaan pintaan ja laskeutuen sen jälkeen väliseinän vieressä kohti poistoaukkoa. Sekoittimen muodostama suihkuvirtaus hajoaa hiukan ensimmäisessä lohkossa altaaseen syötettävien tulovirtausten takia. Virtaussuunnassa lohkon vasempaan alanurkkaan

7 7 muodostuu hitaan virtauksen alue, jossa veden keskimääräinen nopeus on kuitenkin suurempi kuin 0,05 m/s. Kuvissa 3 ja 4 on esitetty laskennan tulokset altaan ensimmäisestä lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. a) b) c) Kuva 3. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

8 8 Kuva 4. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 2. Lohko Altaan toinen lohko toimii hyvin. Tuloaukon sijainti sekoittimeen nähden on optimaalinen. Toisen lohkon sekoittimen työntövirtaus pitää ensimmäisestä lohkosta tulevan virtauksen altaan alaosassa sisäseinän läheisyydessä, jolloin se joutuu sekoittimen taakse imuvirtauksen vaikutukseen. Osa virtauksesta kääntyy sekoittimen imuun, mutta lähellä altaan pohjaa oleva virtaus kiertää sekoittimen takaa ja kääntyy väliseinän suuntaan. Osa tästä virtauksesta jää pyörimään lohkon vasempaan alanurkkaan ja osa nousee ulkoseinää myöden ylöspäin ja kaartuu sekoittimen imupuolelle. Toisen lohkon sekoitin toimii hyvin. Se saa aikaan voimakkaan suihkuvirtauksen altaan poikkisuunnassa ja nostaa virtauksen altaan pohjasta kohden pintaa. Virtaus kiertää sekoittimen ja ulko- ja väliseinän välisessä kehässä, kunnes poistuu pintakerroksessa altaan kolmanteen lohkoon. Lohkon vasempaan kulmaan altaan pohjalle virtaussuunnassa jää pieni alue, jossa virtaus on hidasta, mutta sielläkin nopeus on 0,07 m/s. Kuvissa 5 ja 6 on esitetty laskennan tulokset altaan toisesta lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasaarvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

9 9 a) b) c) Kuva 5. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

10 10 Kuva 6. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 3. Lohko Altaan kolmannessa lohkossa virtaus kohtaa heti kolmannen lohkon sekoittimen ylöspäin suuntautuneen virtauksen, jonka jälkeen virtaus kääntyy oikealla altaan virtaussuunnassa väliseinän suuntaan pintakerroksessa. Osa tästä virtauksesta ajautuu altaan sisäseinän puolelle ja laskeutuu seinämän vieressä kolmannen lohkon poistoaukkoon. Kauempana sisäseinästä kulkeva virtaus laskeutuu altaan pohjalle ja joutuu kolmannen lohkon sekoittimen imuvirtaukseen. Kolmannen lohkon etuosaan syntyy voimakas sekoitusvirtaus, joka pyörittää toisesta lohkosta tullutta vettä ja kolmannessa lohkossa olevaa vettä. Pääosa virtauksesta neljänteen lohkoon kulkeutuu altaan oikeaa pintakerrosta pitkin neljänteen lohkoon. Lohkon toiseen puoliskoon vastakkaiselle puolelle poistoaukko altaan pohjalle muodostuu hitaan virtauksen alue, jossa virtaus on lähes paikallaan. Kuvissa 7 ja 8 on esitetty laskennan tulokset altaan kolmannesta lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

11 11 a) b) c) Kuva 7. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

12 12 Kuva 8. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 4. Lohko Vaikka tuloaukon sijainti neljännessä lohkossa on optimaalinen sekoittimeen nähden, ei sekoittuminen ole täydellistä. Virtaus tulee sisään oikeasta alakulmasta. Sekoittimen aiheuttama työntövirtaus pitää kolmannesta lohkosta tulevan virtauksen altaan alaosassa sisäseinän läheisyydessä, jolloin se joutuu sekoittimen imuvirtauksen vaikutukseen. Sekoitin nostaa virtauksen ylöspäin kohden altaan ulko- ja väliseinää. Sekoittimen aiheuttaman työntövoiman ja seinien vaikutuksesta virtaus kääntyy takaisin sekoittimen imun suuntaan. Osa pintaan nousseesta virtauksesta virtaa altaan sisäseinän viereen ja laskeutuu sisäseinän kulmassa olevaan poistoaukkoon. Osa virtauksesta kiertää takaisin sekoittimen imuun ja lohkon ensimmäiseen puoliskoon syntyy pyörivä virtaus. Neljännen lohkon toiseen puoliskoon vastakkaiselle puolelle poistoaukkoja altaan pohjalle muodostuu hitaan virtauksen alue, jossa virtaus on lähes paikallaan. Kuvissa 9 ja 10 on esitetty laskennan tulokset altaan neljännestä lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

13 13 a) b) c) Kuva 9. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

14 14 Kuva 10. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 3.2 Case 2: 3,0 m 2 aukot väliseinissä, maksimivirtaama Tässä laskennassa altaaseen tulevien vesivirtojen määrää kasvatettiin suunnittelun maksimivirtaamaan. Tulevan jäteveden tilavuusvirta on nyt 373 m 3 /h, palautuslietteen tilavuusvirta on 560 m 3 /h ja kierrätyslietteen tilavuusvirta on 747 m 3 /h. Lohkojen väliset väliseinärakenteet ja poistoaukot säilytettiin samansuuruisina ja samoilla paikoilla. 1. Lohko Maksimivirtaama kasvu vaikuttaa virtauksen käyttäytymiseen. Palautusliete ohjautuu osittain altaan seinämän vierestä keskemmälle allasta ja joutuu sekoittimen imun vaikutukseen. Maksimivirtaaman myötä tuleva palautusliete virtaa syvemmälle altaan pohjaan ja pääsee virtaamaan lähellä altaan pohjaa sekoittimen aiheuttaman suihkuvirtauksen ali kohti vastakkaista kulmaa. Täältä virtaus nousee ylöspäin ja kääntyy väliseinän suuntaiseksi ja virtaa kohti sekoittimen imua. Maksimivirtaama vaikuttaa myös tulevan jäteveden käyttäytymiseen. Oikovirtaus muuttaa reittiä keskimääräiseen virtaukseen verrattuna. Osa tulevasta jätevedestä joutuu heti sekoittimen imuvirtaukseen lohkon sisäseinän puolella, kun taas osa virtauksesta kiertää altaan pääty-, ulko- ja väliseinän kautta sekoittimen imupuolelle. Osa tulevasta jätevedestä kuitenkin virtaa lähelle altaan pohjaa, jossa se pääsee virtaamaan sekoittimen suihkuvirtauksen ali kohti väliseinää. Väliseinä kääntää virtauksen. Virtaus kiihtyy väliseinän vieressä ja poistuu altaan toiseen lohkoon. Poistoaukon suulla kasvava nopeus tehostaa oikovirtauksen syntymistä. Myös kierrätyslietteen kohdalla maksimivirtaama aiheuttaa ongelmia. Kierrätysliete virtaa kohti altaan päätyseinää, josta se kääntyy altaan ulkoseinään päin. Sekoittimen aiheuttama virtaus pakottaa kierrätyslietteen virtauksen nopeasti kohti altaan pohjaa, jonka jälkeen se virtaa ulkoseinän vieressä väliseinän suuntaan. Väliseinän vaikutuksesta osa virtauksesta nousee kohti pintakerrosta ja sekoittimen navan korkeudella se joutuu sekoittimen imuvirtaukseen. Lähempänä altaan pohjaa virtaava kierrätysliete joutuu muun oikovirtaaman mukana altaan toiseen lohkoon.

15 15 Aiemmin ensimmäisen lohkon vasempaan nurkkaan altaan pohjalle päävirtauksen suunnassa katsottuna muodostunut hitaan virtauksen alue on pienentynyt. Vastaavasti lähelle poistoaukkoa altaan sisäseinän puolelle on syntynyt hitaan virtauksen alue. Valtaosa virtauksesta siis kiertää ulko- ja väliseinän kautta toiseen lohkoon. Kuvissa 11 ja 12 on esitetty laskennan tulokset altaan ensimmäisestä lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. a) b) c) Kuva 11. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

16 16 Kuva 12. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 2. Lohko Maksimivirtaaman ei vaikuta altaan toisen lohkon käyttäytymiseen. Tuloaukon optimaalinen sijainti sekoittimeen nähden takaa sen, että sekoittuminen lohkossa toimii hyvin tilavuusvirran kasvusta huolimatta. Lohkon vasemmassa kulmassa altaan pohjalle päävirtauksen suunnassa esiintynyt hitaan virtauksen alue on pienentynyt lähes olemattomaksi. Kuvissa 13 ja 14 on esitetty laskennan tulokset altaan toisesta lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasaarvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

17 17 a) b) c) Kuva 13. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

18 18 Kuva 14. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 3. Lohko Altaan kolmannessa lohkossa ei myöskään tapahdu suuria muutoksia maksimivirtaamasta huolimatta. Virtaus käyttäytyy lähes samalla tavalla, kuin keskimääräisellä virtaamalla. Lohkon toiseen puoliskoon vastakkaiselle puolelle poistoaukkoa muodostuneen hitaan virtauksen alue on kasvanut. Virtaus neljänteen lohkoon kulkee yhä voimakkaammin pintakerroksen ja altaan sisäseinän kautta kohti poistoaukkoa. Kuvissa 15 ja 16 on esitetty laskennan tulokset altaan kolmannesta lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

19 19 a) b) c) Kuva 15. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

20 20 Kuva 16. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 4. Lohko Maksimivirtaamalla ei juuri muuta neljännen lohkon käyttäytymistä. Sekoitin pitää kolmannesta lohkosta tulevan virtauksen lähellä altaan sisäseinää ja tulovirtaus ajautuu sekoittimen imuvirtaukseen. Lohkoon syntyy edelleen voimakas pyörrevirtaus, jossa altaassa oleva ja sinne tuleva virtaus pyörii sekoittimen vaikutuksesta. Poistoaukkojen vastakkaiselle puolelle syntyneen hitaan virtauksen alue on pysynyt ennallaan. Kuvissa 7-10 on esitetty laskennan tulokset leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. Kuvissa 17 ja 18 on esitetty laskennan tulokset altaan neljännestä lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

21 21 a) b) c) Kuva 17. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

22 22 Kuva 18. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 3.3 Case 3: 1,0 m 2 aukot väliseinissä, keskimääräinen virtaama Laskentoja jatkettiin tutkimalla tapausta, jossa väliseinien poistoaukkojen kokoa pienennettiin 3 m 2 :stä 1 m 2 :öön. Muutoin lohkojen väliset väliseinärakenteet ja poistoaukkojen sijainnit säilytettiin ennallaan. Altaaseen tulevan jäteveden tilavuusvirta on 290 m 3 /h, palautuslietteen tilavuusvirta on 290 m 3 /h ja kierrätyslietteen tilavuusvirta on 580 m 3 /h. Poistoaukkojen koon pienentäminen vaikuttaa merkittävästi lohkon sisäiseen virtaukseen. Sekoittuminen lohkon sisällä paranee sekoittimen kierrättäessä vettä yhä uudestaan ja uudestaan sekoittimen kautta. Sekoittimen aiheuttama suihkuvirtaus esiintyy voimakkaammin kaikissa altaan lohkoissa. 1. Lohko Palautusliete ohjautuu heti keskemmälle allasta, jossa se kohtaa sekoittimen aiheuttaman suihkuvirtauksen. Voimakas suihkuvirtaus vie palautuslietevirran mennessään. Virtaus suuntautuu kohti altaan pääty- ja ulkoseinää, joiden vuoksi se nousee kohti altaan pintaa ja kääntyy takaisin sekoittimen suuntaan. Altaan sisäseinän läheisyydessä virtaus laskeutuu alaspäin ja joutuu uudelleen sekoittimen imuvirtaukseen. Osa sekoittimien suihkuvirtauksesta kääntyy altaan ulkoseinästä kohti ensimmäisen ja toisen lohkon välistä väliseinää. Näyttäisi siltä, että osa tästä virtauksesta nousee aivan pintakerrokseen saakka ja osa jatkaa matkaa altaan puolivälin syvyydessä kohti poistoaukkoa. Tulevan jäteveden kohdalla poistoaukkojen muutoksen vaikutus on suurin. Palautuslietteen tavoin se ohjautuu heti keskemmälle allasta ja joutuu sekoittimen aiheuttaman suihkuvirtauksen vaikutukseen. Osa tulevasta jätevedestä ohjautuu suoraan sekoittimen imuvirtaukseen. Sekoittimen taakse väliseinän suunnasta syntyvä pyörre yhdessä sekoittimen imuvirtauksen kanssa saa aikaan sen, että altaan sisäseinän vieressä tuleva virtaus kääntyy sekoittimen imuvirtaukseen eikä näin pääse suoraan virtaamaan ensimmäisen

23 23 ja toisen lohkon väliseen poistoaukkoon. Suurin ero suuriin poistoaukkoihin verrattuna on siis, että tuleva jätevesi ei pääse suoraan virtaamaan toiseen lohkoon. Palautuslietteen tavoin tuleva jätevesi poistuu ensimmäisestä lohkosta muun päävirtauksen mukana. Kierrätysliete kääntyy altaan päätyseinästä takaisin ja laskeutuu altaan pohjalle, jossa se sekoittimen suihkuvirtauksen johdosta kääntyy takaisin sekoittimen suuntaan ja joutuu sekoittimen imuvirtaukseen. Kierrätysliete sekoittuu tulevaan jäteveteen ja palautuslietteeseen ja poistuu altaan toiseen lohkoon muun päävirtauksen mukana. Ensimmäisen lohkon vasempaan nurkkaan altaan pohjalle päävirtauksen suunnassa muodostuu edelleen hitaan virtauksen alue. Myös sekoittimen takana poistoaukon läheisyydessä koko altaan korkeudella on alue, jossa virtaus on hitaampaa. Poistoaukon kohdalla virtaus kiihtyy jälleen. Kuvissa 19 ja 20 on esitetty laskennan tulokset altaan ensimmäisestä lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

24 24 a) b) c) Kuva 19. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

25 25 Kuva 20. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 2. Lohko Altaan toinen lohko toimii jälleen hyvin. Toisen lohkon sekoittimen työntövirtaus pitää ensimmäisestä lohkosta tulevan virtauksen altaan alaosassa sisäseinän läheisyydessä, jolloin se joutuu sekoittimen imuvirtauksen vaikutukseen. Sekoittimen alapuolelle lähellä altaan pohjaa virtaus pääsee kuitenkin sekoittimen ali joutumatta imuvirtaukseen. Se kiertää seinän sisäseinän vieressä ja kääntyy väliseinän suuntaan ja virtaa kohti altaan ulkoseinää. Täällä se nousee pintakerrokseen joutuen sekoittimen aiheuttamaan suihkuvirtaukseen. Toisen lohkon sekoitin saa aikaan voimakkaan suihkuvirtauksen altaan poikkisuunnassa ja nostaa virtauksen altaan pohjasta kohden pintaa. Virtaus kiertää sekoittimen ja ulko- ja väliseinän välisessä kehässä, kunnes poistuu pintakerroksessa altaan kolmanteen lohkoon. Aivan lohkon oikeassa kulmassa altaan pintakerroksessa on alue, jossa virtaus on hidasta. Tällä ei ole vaikutusta altaan toiminnan kannalta. Kuvissa 21 ja 22 on esitetty laskennan tulokset altaan toisesta lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasaarvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

26 26 a) b) c) Kuva 21. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

27 27 Kuva 22. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 3. Lohko Altaan kolmannessa lohkossa ei juuri tapahdu muutoksia aiemmin laskettuihin tapauksiin nähden. Tuloaukon sijainti sekoittimeen nähden ei ole paras mahdollinen. Toisaalta tuleva virtaus sekoittuu välittömästi kolmannessa lohkossa olevaan veteen, sillä virtaus kohtaa heti poistoaukon jälkeen kolmannen lohkon sekoittimen ylöspäin suuntautuneen virtauksen. Suihkuvirtauksen johdosta virtaus kääntyy heti oikealla altaan virtaussuunnassa väliseinän suuntaan altaan pintavesikerroksessa. Osa virtauksesta laskeutuu altaan pohjalle ja joutuu kolmannen lohkon sekoittimen imuvirtaukseen, josta sekoitin työntää sen takaisin tuloaukon suuntaan. Osa toisesta lohkosta kolmanteen lohkoon tulleesta vedestä virtaa altaan pintavesikerroksessa suoraan koti kulmaa, jossa poistoaukot sijaitsevat. Ne laskeutuvat kulmassa altaan pohjalle ja kulkeutuvat neljänteen lohkoon. Koska pääosa virtauksesta neljänteen lohkoon kulkeutuu altaan oikeaa reunaa pitkin, kolmannen lohkon toinen puolisko on lähes paikallaan pysyvää. Kuvissa 23 ja 24 on esitetty laskennan tulokset altaan kolmannen lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

28 28 a) b) c) Kuva 23. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

29 29 Kuva 24. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 4. Lohko Altaan neljännessä lohkossa ei myöskään juuri tapahdu suuria muutoksia aikaisempiin laskettuihin tapauksiin nähden. Tulo- ja poistoaukkojen sijaitessa samalla puolella altaan seinää, lohkon toinen puolisko jää hitaan virtauksen alueeksi, jossa sekoittuminen ei ole yhtä tehokasta kuin muualla lohkossa. Tähän liittyy myös riski siitä, että vesi pääsee virtaamaan altaan pohjalla suoraan kulmassa olevaan poistoaukkoon. Lohkon toiseen puoleen syntyy voimakas sekoitus. Sekoitin nostaa virtauksen ylöspäin kohden altaan ulko- ja väliseinää. Sekoittimen työntövoiman ja seinien vaikutuksesta virtaus kääntyy takaisin sekoittimen imun suuntaan. Osa pintaan nousseesta virtauksesta virtaa altaan sisäseinän viereen ja laskeutuu sisäseinän kulmassa olevaan poistoaukkoon. Osa virtauksesta kiertää takaisin sekoittimen imuun ja näin syntyy pyörivä virtaus lohkon sisällä. Kuvissa 25 ja 26 on esitetty laskennan tulokset altaan neljännestä lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

30 30 a) b) c) Kuva 25. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

31 31 Kuva 26. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 3.4 Case 4: 1,0 m 2 aukot väliseinissä, maksimivirtaama Tässä laskennassa altaaseen tulevien vesivirtojen määrää kasvatettiin suunnittelun maksimiarvoihin. Tulevan jäteveden tilavuusvirta on nyt 373 m 3 /h, palautuslietteen tilavuusvirta on 560 m 3 /h ja kierrätyslietteen tilavuusvirta on 747 m 3 /h. Lohkojen väliset väliseinärakenteet ja poistoaukot säilytettiin samansuuruisina ja samoilla paikoilla. 1. Lohko Maksimivirtaama vaikuttaa merkittävästi ensimmäisen lohkon virtauksen käyttäytymiseen. Maksimivirtaaman myötä palautuslietteellä on suurempi nopeus kuin keskimääräisellä virtaamalla. Tästä syystä se ohjautuu voimakkaammin altaan pohjalle saakka. Sekoittimen aiheuttama suihkuvirtaus ei ylety altaan pohjaan saakka ja palautusliete pääsee virtaamaan suihkun ali. Virtaus kohtaa väliseinän nousten sen puoleen väliin saakka. Samalla virtaus kääntyy altaan sisäseinän suuntaan ja virtaa lopulta poistoaukkoon. Tätä oikovirtausta ei keskimääräisellä virtaamalla esiintynyt. Kaikki palautusliete ei kuitenkaan käyttäydy näin, vaan osa ohjautuu sekoittimen imuvirtaukseen sekoittuen muuhun veteen. Tulevan jäteveden kohdalla maksimivirtaama ei vaikuta sen käyttäytymiseen. Se ohjautuu heti keskemmälle allasta ja joutuu sekoittimen aiheuttaman suihkuvirtauksen vaikutukseen. Sekoittimen taakse väli- ja sisäseinän kulmaan syntyvä pyörre yhdessä sekoittimen imuvirtauksen kanssa saavat aikaan sen, että altaan sisäseinän vieressä tuleva virtaus kääntyy sekoittimen imuvirtaukseen eikä näin ollen pääse virtaamaan suoraan virtaamaan poistoaukkoon. Suurin ero on siis, että tuleva jätevesi ei pääse suoraan virtaamaan toiseen lohkoon. Palautuslietteen tavoin tuleva jätevesi poistuu ensimmäisestä lohkosta muun päävirtauksen mukana. Kierrätysliete kohtaa altaan päätyseinän ja virtaa kohden altaan ulkoseinää nyt pidemmän matkan, kuin keskimääräisellä virtaamalla. Sekoittimen suihkuvirtauksen ansiosta se kääntyy kohden altaan sisäseinää sekoittimen suuntaan. Kierrätysliete sekoittuu tehokkaasti

32 32 Kierrätysliete kääntyy altaan päätyseinästä takaisin ja laskeutuu altaan pohjalle, jossa se sekoittimen suihkuvirtauksen johdosta kääntyy takaisin sekoittimen suuntaan ja joutuu sekoittimen imuvirtaukseen. Kierrätysliete sekoittuu tulevaan jäteveteen ja palautuslietteeseen. Pääosa virtauksesta toiseen lohkoon kulkee sekoittimen suuntaisesti pintakerroksessa, josta se poistoaukon kulman kohdalla laskeutuu pinnasta altaan pohjalle ja virtaa poistoaukkoon. Ensimmäisen lohkon väliseinän läheisyydessä altaan molemmissa nurkissa on alue, jossa virtaus on hitaampaa. Poistoaukon kohdalla virtaus kiihtyy jälleen. Kuvissa 27 ja 28 on esitetty laskennan tulokset altaan ensimmäisestä lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

33 33 a) b) c) Kuva 27. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

34 34 Kuva 28. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 2. Lohko Kuten jo aikaisemmissakin tapauksissa on todettu, altaan toinen lohko toimii myös maksimivirtaamalla moitteettomasti. Ensimmäisestä lohkosta tuleva vesi virtaa lähellä sisäseinää ja osa tästä joutuu suoraan sekoittimen imuvirtaukseen. Syvemmällä altaan pohjalla virtaava vesi pääsee kiertämään sekoittimen takaa joutumatta sekoittimen imuun. Väliseinän kohdalla se kääntyy kohti altaan ulkoseinää, jonka kohdatessaan se kääntyy jälleen altaan sisäseinää kohden sekoittimen imuvirtaukseen. Sekoitin saa aikaan voimakkaan suihkuvirtauksen altaan poikkisuunnassa ja nostaa virtauksen altaan pohjasta kohden pintaa. Virtaus kiertää sekoittimen ja ulko- ja väliseinän välisessä kehässä, kunnes poistuu pintakerroksessa altaan kolmanteen lohkoon. Aivan lohkon oikeassa kulmassa altaan pintakerroksessa on alue, jossa virtaus on hidasta, mutta tällä ei ole vaikutusta sekoittumisen kannalta. Kuvissa 29 ja 30 on esitetty laskennan tulokset altaan toisesta lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasaarvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

35 35 a) b) c) Kuva 29. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

36 36 Kuva 30. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 3. Lohko Altaan kolmas lohko käyttäytyy samalla tavalla kuin aiemminkin. Vastaan tulevan suihkuvirtauksen johdosta virtaus kääntyy heti oikealla tuloaukon jälkeen ja virtaa altaan väliseinän suuntaan laskeutuen samalla altaan pohjaan ja sieltä edelleen sekoittimen imuvirtaukseen. Koska pääosa virtauksesta neljänteen lohkoon kulkeutuu altaan oikeaa reunaa pitkin, kolmannen lohkon toinen puolisko on hitaan virtauksen aluetta, mutta siitä huolimatta sekoittuminen toimii riittävän hyvin lohkon sisällä. Hitaan virtauksen alueet kolmannessa ja neljännessä lohkossa ovat pienentyneet ensimmäiseen tapaukseen verrattuna. Osa toisesta lohkosta kolmanteen lohkoon tulleesta vedestä virtaa altaan pintavesikerroksessa suoraan koti kulmaa, jossa poistoaukot sijaitsevat. Ne laskeutuvat kulmassa altaan pohjalle ja kulkeutuvat neljänteen lohkoon. Kuvissa 31 ja 32 on esitetty laskennan tulokset altaan kolmannesta lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

37 37 a) b) c) Kuva 31. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

38 38 Kuva 32. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 4. Lohko Altaan neljännessä lohkossa ei myöskään juuri tapahdu suuria muutoksia aikaisempiin laskettuihin tapauksiin nähden. Tulo- ja poistoaukkojen sijaitessa samalla puolella altaan seinää, lohkon toinen puolisko jää hitaan virtauksen alueeksi, jossa sekoittuminen ei ole yhtä tehokasta kuin muualla lohkossa, mutta siitä huolimatta sekoittuminen toimii riittävän hyvin lohkon sisällä.. Tähän liittyy myös riski siitä, että vesi pääsee virtaamaan altaan pohjalla suoraan kulmassa olevaan poistoaukkoon. Kuvissa 33 ja 34 on esitetty laskennan tulokset altaan neljännestä lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

39 39 a) b) c) Kuva 33. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

40 40 Kuva 34. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 3.5 Case 5: 1,0 m 2 aukot väliseinissä, keskimääräinen virtaama, poistoaukot sijoitettuna vastakkaiselle puolelle tapaukseen kolme nähden Tapauksissa 1 4 ensimmäisen lohkon poistoaukko sijaitsi virtaussuunnassa oikealla alhaalla. Koska tuleva jätevesi ja palautusliete virtasivat tulokohdassaan osittain suoraan altaan pohjalle, johti tämä 1. lohkossa osittaiseen oikovirtaukseen. Tämä oikovirtaus haluttiin poistaa poistoaukkojen paikkoja vaihtamalla. Poistoaukkojen koot säilytettiin ennallaan 1 m 2 suuruisina. Laskenta tehtiin keskimääräisellä virtaamalla. Uudet poistoaukot sijaitsivat virtaussuunnassa seuraavasti: - lohkojen 1 ja 2 välinen aukko vasemmalla ylhäällä - lohkojen 2 ja 3 välinen aukko oikealla alhaalla - ja lohkojen 3 ja 4 välinen aukko vasemmalla ylhäällä. Virtauslaskennalla tutkittiin poistoaukkojen paikkojen muuttamisen vaikutusta altaan ja lohkojen virtaustekniseen käyttäytymiseen. Kuvassa 19 on esitetty mallinnetun altaan rakenne. Altaaseen tulevan jäteveden tilavuusvirta on 290 m 3 /h, palautuslietteen tilavuusvirta on 290 m 3 /h ja kierrätyslietteen tilavuusvirta on 580 m 3 /h. Poistoaukkojen paikkojen sijainti väliseinärakenteessa vaikuttaa lohkon sisäisiin virtauksiin. Altaan ensimmäisessä lohkossa hitaan virtauksen alue kasvaa. Neljännessä lohkossa sekoittuminen näyttäisi hieman paraneva. Toisessa ja kolmannessa lohkossa muutokset eivät ole niin suuria. 1. Lohko Palautusliete laskeutuu lähes altaan pohjalle, jossa se kohtaa sekoittimen imuvirtauksen. Imun mukana se joutuu sekoittimen suihkuvirtaukseen, joka suuntautuu kohti altaan pääty- ja ulkoseinää. Virtaus nousee kohti altaan pintaa ja kääntyy takaisin sekoittimen suuntaan. Altaan sisäseinän läheisyydessä virtaus laskeutuu jälleen alaspäin altaan pohjalle ja joutuu uudelleen sekoittimen imuvirtaukseen. Virtaussuunnassa lohkon etuosaan syntyy kiertävä virtaus.

41 41 Osa sekoittimien suihkuvirtauksesta kääntyy altaan ulkoseinästä kohti ensimmäisen ja toisen lohkon välistä väliseinää. Virtaus nousee aivan pintakerrokseen saakka ja jatkaa matkaa kohti vasemmassa yläkulmassa olevaa poistoaukkoa. Tulevajätevesi Palautusliete Päätyseinä Sisäseinä Ulosvirtaus Kierrätysliete Päätyseinä Väliseinät Vaakasekoittimet Kuva 35. Kuvassa on esitetty mallinnetun altaan rakenne. Tuleva jätevesi käyttäytyy palautuslietteen tavoin. Tuleva jätevesi ohjautuu suoraan sekoittimen imuvirtaukseen ja joutuu samaan pyörivään virtaukseen, kuin palautusliete. Tuleva jätevesi poistuu muun virtauksen tavoin pintakerroksessa toiseen lohkoon. Kierrätysliete kääntyy altaan päätyseinästä takaisin ja laskeutuu altaan pohjalle ja ohjautuu suoraan sekoittimen imuvirtaukseen ja joutuu samaan pyörivään virtaukseen kuin palautusliete ja tuleva jätevesi. Altaan ensimmäisen lohkon toiminta on selvästi huonontunut aikaisempaan väliseinärakenteeseen verrattuna. Lohkoon ei synny haitallisia oikovirtauksia, mutta lohkon väliseinän puolelle syntyy hitaan virtauksen alue. Tämä johtuu siitä, että lohkon toiseen puoleen muodostuu kiertävä virtaus sekä siitä, että päävirtaus poistuu toiseen lohkoon pintakerroksessa. Kuvissa 36 ja 37 on esitetty laskennan tulokset altaan ensimmäisestä lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

42 42 a) b) c) Kuva 36. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

43 43 Kuva 37. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 2. Lohko Virtaus tulee toiseen lohkoon väliseinässä vasemmalla ylähäällä olevasta aukosta. Heti aukon jälkeen virtaus kääntyy väliseinän suuntaiseksi ja virtaa kohti altaan sisäseinää. Virtaus jatkaa matkaa pintakerroksessa lohkon toista väliseinää kohden ja kääntyy kohti altaan ulkoseinää. Ulkoseinän kohdalla virtaus osittain kääntyy alaspäin ja virtaa takaisin sisäseinän suuntaan, josta se joutuu sekoittimen imuvirtaukseen. Osa virtauksesta ei käänny alaspäin, vaan jatkaa ulkoseinän suuntaisesti kohti ensimmäisen lohkon väliseinää ja siitä edelleen kohti altaan sisäseinää. Näin lohkon pintavesikerrokseen syntyy lohkoa kiertävä virtaus, johon sekoittimen suihkuvirtaus saa aikaan myös lisää pyörteilyä. Toisen lohkon sekoitin saa aikaan voimakkaan suihkuvirtauksen altaan poikkisuunnassa. Se nostaa virtauksen altaan pohjasta kohden pintaa. Virtaus kiertää sekoittimen ja ulko- ja väliseinän välisessä kehässä altaan puolen välin korkeudessa olevassa vesikerroksessa, kunnes se poistuu altaan pohjavesikerroksessa kolmanteen lohkoon. Aivan lohkon vasemmassa alakulmassa altaan pohjakerroksessa on alue, jossa virtaus on hidasta. Tällä ei ole vaikutusta altaan toiminnan kannalta. Toinen lohko toimii hyvin väliseinässä tehtyjen poistoaukkojen paikkojen muutoksesta huolimatta. Kuvissa 38 ja 39 on esitetty laskennan tulokset altaan toisesta lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasaarvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

44 44 a) b) c) Kuva 38. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

45 45 Kuva 39. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 3. Lohko Kolmannen lohkon sekoittimen työntövirtaus pitää toisesta lohkosta tulevan virtauksen altaan alaosassa sisäseinän läheisyydessä, jolloin se joutuu osittain sekoittimen imuvirtauksen vaikutukseen. Sekoittimen alapuolelle lähellä altaan pohjaa virtaus pääsee kuitenkin sekoittimen ali joutumatta imuvirtaukseen vaikutukseen. Se kiertää sisäseinän vieressä ja kääntyy väliseinän suuntaan ja virtaa kohti altaan ulkoseinää. Ulkoseinän läheisyyteen muodostuu pyörteilevä alue, josta virtaus hiljalleen sekoittuu sekoittimen aikaan saamaan suihkuvirtaukseen. Koska pääosa virtauksesta neljänteen lohkoon kulkeutuu altaan pintavesikerroksessa, kolmannen lohkon toinen puolisko on lähes paikallaan pysyvää virtausaluetta. Syynä tähän on mm. se, että sekoittimen takaa pohjavesikerroksesta tullut vesi jää hitaaseen liikkeeseen sekoittimen suihkuvirtauksen ja väliseinän väliin. Kuvissa 40 ja 41 on esitetty laskennan tulokset altaan kolmannesta lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

46 46 a) b) c) Kuva 40. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

47 47 Kuva 41. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 4. Lohko Neljännen lohkon toiminta on jonkin verran parantunut aikaisempaan väliseinärakenteeseen verrattuna. Lohkoon tuleva virtaus sekoittuu heti sekoittimen muodostamaan suihkuvirtaukseen. Lohkon etuosaan syntyy voimakas sekoitusvirtaus, joka pyörittää kolmannesta lohkosta tullutta vettä ja neljännessä lohkossa olevaa vettä. Pääosa virtauksesta poistuu altaan sisäseinän pintakerroksessa laskeutuen kulmassa altaan pohjalle poistoaukkojen suuntaan. Osa virtauksesta puolestaan poistuu ulkoseinän kautta suihkuvirtauksen kääntyessä vasemmalle altaan vesipinnan puolessa välissä. Lohkon toiseen puoliskoon altaan päätyseinän puolelle muodostuu edelleen hitaan virtauksen alue, jossa virtaus on lähes paikallaan. Kuvissa 42 ja 43 on esitetty laskennan tulokset altaan neljännestä lohkosta leikkaustasojen ja tasa-arvopinnan avulla. Leikkaukset ovat sekoittimen navan korkeudelta, 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta sekä 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Tasa-arvopinta puolestaan kuvaa tilannetta, jossa nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s.

48 48 a) b) c) Kuva 42. Nopeus 0 0,3 m/s a) sekoittimen navan korkeudelta, b) 1,7 metriä sekoittimen navan alapuolelta ja c) 2,5 metriä sekoittimen navan yläpuolelta. Punainen väri kuvaa nopeutta 0,3 m/s.

49 49 Kuva 43. Tasa-arvopinta 0,12 m/s, jonka sisällä nopeus on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,12 m/s. 4 YHTEENVETO Tämän työn tarkoituksena oli tutkia Lahti Aqua Oy:n Kariniemen jätevedenpuhdistamon saneerattavaa ilmastusallasta numeerista virtauslaskentaa hyväksikäyttäen. Työ rajoittui sekoittimilla varustetun ilmastusaltaan lohkojen 1-4 tarkasteluun. Ilmastusaltaasta laskettiin kaikkiaan viisi erilaista tapausta. Laskennat oletettiin ajasta riippumattomiksi. Niissä ei huomioitu jäteveden sisältämää orgaanista kiintoainetta. Laskelmat tehtiin sekä keskimääräisellä että maksimivirtaamalla. Ilmastusallas on malliltaan täydellisesti sekoittuva, jossa tavoitteena on, että pitoisuudet ovat tasaiset joka kohdassa allasta. Väliseinän suurilla (3 m 2 ) poistoaukoilla keskimääräisellä virtaamalla altaan ensimmäisessä lohkossa esiintyy oikovirtausta. Osa jätevedestä laskeutuu sisäseinän vieressä lähelle altaan pohjaa, jonne muodostuu alue, jossa sekoittimen imun ei vaikuta jäteveden virtaukseen. Altaan ulkoseinän puolelta tuleva virtaus pakottaa myös osan jätevedestä virtaamaan altaan sisäseinän läheisyydessä. Näin osa vedestä pääsee virtaamaan suoraan poistoaukkoon ja sitä kautta altaan toiseen lohkoon. Poistoaukon suulla kasvava nopeus tehostaa myös tämän haitallisen oikovirtauksen syntymistä. Altaan toinen lohko toimii hyvin, eikä siinä esiinny haitallisia oikovirtauksia. Kolmannessa lohkossa tuleva jätevesi sekoittuu hyvin lohkossa virtaavaan veteen, koska tuleva virtaus kohtaa heti kolmannen lohkon sekoittimen ylöspäin suuntautuneen virtauksen. Sekoittuminen ei ole kuitenkaan täydellistä, vaan osa toisesta lohkosta tulevasta virtauksesta kääntyy altaan sisäseinän suuntaan pintakerroksessa. Lähellä altaan sisäseinää oleva virtaus laskeutuu seinämän vieressä altaan pohjalle ja pääsee näin virtaamaan kolmannen lohkon poistoaukkoon joutumatta sekoittimen imuun. Altaan neljännessä lohkossa ei esiinny oikovirtausta. Altaan jokaisessa lohkossa esiintyy hitaan virtauksen alue. Kolmannessa ja neljännessä lohkossa tämän on selviten havaittavissa. Vaikka virtaus on hidasta näissä kohdin, se ei kuitenkaan ole täysin pysähtynyttä.

50 50 Maksimivirtaama vaikuttaa oikovirtauksen käyttäytymiseen ensimmäisessä lohkossa. Oikovirtaus muuttaa reittiä keskimääräiseen virtaukseen verrattuna. Vesi pääsee nyt syvemmälle altaan pohjalle, jossa se pääsee virtaamaan sekoittimen suihkuvirtauksen ali kohti väliseinää. Väliseinä kääntää virtauksen kohti poistoaukkoa. Poistoaukon suulla kasvava nopeus tehostaa oikovirtauksen syntymistä. Maksimivirtaama ei vaikuta altaan toisen lohkon käyttäytymiseen. Lohkossa esiintynyt hitaan virtauksen alue on pienentynyt lähes olemattomaksi. Kolmannessa ja neljännessä lohkossa maksimivirtaama ei myöskään tuo suuria muutoksia. Virtaus käyttäytyy molemmissa lohkoissa lähes samalla tavalla, kuin keskimääräisellä virtaamalla. Tosin kolmannessa lohkossa esiintynyt hitaan virtauksen alue on jonkin verran suurentunut. Neljännessä lohkossa hitaan virtauksen alue on pysynyt ennallaan. Poistoaukkojen koon pienentäminen yhteen neliöön vaikuttaa merkittävästi lohkon sisäiseen virtaukseen. Sekoittuminen lohkon sisällä paranee sekoittimen kierrättäessä vettä yhä uudestaan ja uudestaan sekoittimen kautta lohkon sisällä. Sekoittimen aiheuttama suihkuvirtaus esiintyy voimakkaammin kaikissa altaan lohkoissa. Suurin muutos on havaittavissa altaan ensimmäisessä lohkossa. Poistoaukon pienentymisen myötä ja väliseinän suunnasta tulevan virtauksen johdosta ensimmäisen lohkon sekoittimen taakse syntyy pyörre. Pyörre estää altaan sisäseinän läheisyydessä virtaavan veden suoran pääsyn poistoaukkoon ja näin poistaa haitallisen oikovirtauksen. Altaan muissa lohkoissa aukkojen koon muutoksen vaikutus ei ole niin merkittävä. Virtaukset käyttäytyvät samaan tapaan kuin suurilla poistoaukoilla keskimääräisellä virtaamalla. Hitaan virtauksen alueet ovat säilyneet ennallaan samansuuruisina. Tutkittaessa maksimivirtaamaa 1 m 2 kokoisilla poistoaukoilla varustetussa altaassa, muutos vaikuttaa merkittävimmin ensimmäisen lohkon virtauksen käyttäytymiseen. Suuremmalla nopeudella saapuva vesi ohjautuu syvemmälle altaan pohjalle. Sekoittimen aiheuttama suihkuvirtaus ei vaikuta altaan pohjalla niin tehokkaasti, kuin sekoittimen tasolla ja näin vesi pääsee virtaamaan sekoittimen suihkun ali. Virtaus kohtaa väliseinän nousten sen puoleen väliin saakka ja samalla se kääntyy altaan sisäseinän suuntaan ja virtaa lopulta poistoaukkoon. Tätä oikovirtausta ei keskimääräisellä virtaamalla esiintynyt. Altaan muissa lohkoissa tilavuusvirran muutos ei aiheuta suuria muutoksia. Virtaukset käyttäytyvät samaan tapaan kuin keskimääräisellä virtaamalla. Hitaan virtauksen alueet ovat hiukan pienentyneet altaan kolmannessa ja neljännessä lohkossa. Poistoaukkojen paikkojen vaihtaminen väliseinärakenteessa vaikuttaa virtauksiin. Altaan ensimmäisen lohkon toiminta huononee selvästi aikaisempaan väliseinärakenteeseen verrattuna. Lohkoon ei synny haitallisia oikovirtauksia, mutta hitaan virtauksen alue on huomattavasti kasvanut. Toisessa ja kolmannessa lohkossa muutokset eivät ole niin suuria aikaisempaan väliseinä rakenteeseen verrattuna. Tosin kolmannen lohkon hitaan virtauksen alue on kasvanut. Neljännessä lohkon toiminta on jonkin verran parantunut aikaisempiin tapauksiin verrattuna, sillä hitaan virtauksen alue on jonkin verran pienentynyt. Yleisesti voidaan todeta, että poistoaukkojen paikkojen vaihtaminen huonontaa virtauskuviota niin merkittävästi, että toimenpidettä ei voida suositella. Laskennasta saatujen tulosten perusteella Pöyry Finland Oy ehdottaa, että saneerattavan ilmastusaltaan rakenteet toteutetaan seuraavasti: 1) Väliseinien aukkojen koko on 1,0 m 2