Computational Fluid Dynamics Modeling of Benzene Propagation in Water Pipe

• Autorzy: Widomski M. K. , Kowalska B. , Musz A.

Warianty tytułu

PL

Obliczeniowa mechanika płynów a modelowanie jakości wody

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Modeling of water quality in distribution systems becomes nowadays a very popular tool applied in the processes of systems design and operation. Usually, according to everyday practice and literature reports, the chlorine propagation is one of the most frequently reported subjects of modeling. Meanwhile, literature presents many examples of pollutants originated in polymer pipes’ material seriously deteriorating the quality of water in distribution systems. In this case, the computational fluid dynamics (CFD) may be applied to numerical calculations of simultaneous transport of several organic and non-organic pollutants in drinking water supply systems constructed of metal or polymer pipes. This paper contains the presentation of recognized pollutants migrating to drinking water from plastic pipes, possibilities of CFD application to water quality modeling and basic set of necessary input data as well as range of simulation results. The numerical calculations for dynamic benzene propagation inside the close loop pipe model was performed by Fluent, Ansys. Inc. for the three selected values of velocity flow. Our modeling attempt was performed as the preliminary step in the assessment of dynamic migration of pollutants originated from high-density polyethylene (HDPE) pipe and the input data and initial and boundary conditions were based on the available literature reports.

PL

Modelowanie parametrów jakości wody w systemach dystrybucji jest obecnie stosowane zarówno w procesie projektowania, jak i w eksploatacji sieci wodociągowych. Najczęściej stosowanym w modelowaniu wskaźnikiem jakości wody w sieci jest rozkład chloru. Badania literaturowe wskazują, iż istnieje duża grupa zanieczyszczeń pogarszających jakość wody a pochodzących z materiału przewodów. W celu numerycznego określenia transportu tych zanieczyszczeń w sieciach wodociągowych wykonanych z różnych materiałów może być zastosowana obliczeniowa dynamika płynów (CFD). W artykule przedstawiono najczęściej identyfikowane w wodzie zanieczyszczenia pochodzące z materiału przewodów wykonanych z tworzyw sztucznych, możliwości zastosowania CFD do modelowania jakości wody oraz niezbędne w tym celu dane wejściowe. Zaprezentowano numeryczne obliczenia rozprzestrzeniania się benzenu w wodzie wypełniającej układ zamknięty wykonany z przewodu HDPE. Obliczenia modelowe przeprowadzono za pomocą programu Fluent, Ansys Inc. dla trzech różnych prędkości przepływu przez modelowany przewód. Przedstawione obliczenia zostały wykonane jako wstępna ocena zachodzącej w warunkach dynamicznych migracji zanieczyszczeń organicznych z materiału rur HDPE, w związku z czym dane wejściowe oraz warunki początkowe i brzegowe ustalono na drodze badań literaturowych.

Słowa kluczowe

EN

water quality; numerical modelling; benzene; computational fluid dynamics CFD; water supply system

PL

jakość wody; modelowanie numeryczne; benzen; obliczeniowa dynamika płynów; sieci wodociągowe

• Wydawca: Towarzystwo Chemii i Inżynierii Ekologicznej
• Czasopismo: Ecological Chemistry and Engineering. A
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 20, nr 1
• Strony: 99--108
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., tab., wykr., il.

Twórcy

autor

Widomski M. K.

• Faculty of Environmental Engineering, Lublin University of Technology, ul. Nadbystrzycka 40B, 20–618 Lublin, Poland,

autor

Kowalska B.

• Faculty of Environmental Engineering, Lublin University of Technology, ul. Nadbystrzycka 40B, 20–618 Lublin, Poland,

autor

Musz A.

• Faculty of Environmental Engineering, Lublin University of Technology, ul. Nadbystrzycka 40B, 20–618 Lublin, Poland,

Bibliografia

• [1] Ratnayake N, Jayatilake IN. Water Sci Technol. 1999;40:115-120.DOI: 10.1016/S0273-1223(99)00473-4.
• [2] Musz A, Kowalska B, Widomski MK. Ecol Chem Eng S. 2009;16:175-184.
• [3] Hem LJ. Potential water quality deterioration of drinking water caused by leakage of organic compounds from materials in contact with water. In: Proceedings, 20th NoDig conference. Copenhagen; 2002.
• [4] Skjevark I, Due A, Gjerstad KO, Herikstad H. Water Res. 2003;37:1912-1920. DOI: 10.1016/S0043-1354(02)00576-6.
• [5] Heim TH, Dietrich AM. Water Res. 2007;41:757-764. DOI: 10.1016/j.watres.2006.11.028.
• [6] Tamminen S, Ramos H, Covas D. Water Resour Manage. 2008;22:1579-1607. DOI: 10.1007/s11269-008-9244-x.
• [7] Ferrara G, Bertoldo M, Scoponi M, Ciardelli F. Polymer Degrad Stabil. 2001;73:411-416. DOI: 10.1016/S0141-3910(01)00121-5.
• [8] Al-Malack MH. J Hazard Mater. 2001;B82:263-274. DOI: 10.1016/S0304-3894(00)00366-6.
• [9] Kwietniewski M. Rurociągi polietylenowe w wodociągach i kanalizacji. Rozwój rynku w Polsce i na świecie. Inż Bezwykopowa. 2005;2:40-44.
• [10] Denberg M, Arvin E, Hassager O. J Water Supply: Res Technol – AQUA. 2007;56:435-443. DOI: 10.2166/aqua.2007.020.
• [11] Brocca D, Arvin E, Mosbak H. Water Res. 2002;36:3675-3680. DOI: 10.1016/S0043-1354(02)00084-2.
• [12] Musz A, Kowalska B. Wpływ materiału rurociągów wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość wody wodociągowej. Przegląd literatury. In: Polska Inżynieria Środowiska pięć lat po wstąpieniu do Unii Europejskiej. Dudzińska M, Pawłowski L, editors. Lublin; 2009.
• [13] Islam MR, Chaudhry MH, Clark RM. J Environ Eng, ASCE. 1997;123:1033-1044. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9372(1997)123:10(1033).
• [14] Al-Omari AS, Hanif Chaudhry M, Fellow A. J Hydraul Eng. 2001;127:669-677. DOI: 10.1061/ASCE0733-9429(2001)127:8(669).
• [15] Hallam NB, West J, Forster CJ, Spencer I. Water Res. 2002;36:3479-3488. DOI: 10.1016/S0043-1354(02)00056-8.
• [16] Boccelli DL, Tryby ME, Uber JG, Summers RS. Water Res. 2003;37:2654-2666. DOI: 10.1016/S0043-1354(03)00067-8.
• [17] Łangowski R, Brdys MA. Int J Appl Math Comput Sci. 2007;17(2):199-216. DOI: 10.2478/v10006-007-0019-y
• [18] Munavalli GR, Mohan Kumar MS. Water Res. 2005;39:4287-4298. DOI: 10.1016/j.watres.2005.07.043.
• [19] Mutoti GI, Dietz JD, Arevalo J, Taylor JS. J Amer Water Works Associat. 2007;99:96-106.
• [20] Zierolf ML, Polycarpou MM, Uber JG. IEEE Trans Control Syst Technol. 1998;6:543-553. DOI: 10.1109/87.701351.
• [21] Farmer R, Pike R, Cheng G. Comput Chem Eng. 2005;29:2386-2403. DOI: 10.1016/j.compchemeng.2005.05.022.
• [22] Rauen WB, Lin B, Falconer RA, Teixeira EC. Chem Eng J. 2008;137:550-560. DOI: 10.1016/j.cej.2007.05.011.
• [23] Dufresne M, Vazquez J, Terfous A, Ghenaim A, Poulet JB. Comp Fluids. 2009;38:1042-1049. DOI: 10.1016/j.compfluid.2008.01.011.
• [24] LeMoullec Y, Gentric C, Potier O, Leclerc JP. Chem Eng Sci. 2010;65:343-350. DOI: 10.1016/j.ces.2009.06.035.
• [25] Norton T, Sun DW. Trends in Food Sci Technol. 2006;17:600-620. DOI: 10.1016/j.tifs.2006.05.004.
• [26] Liua SX, Penga M, Vaneb L. Chem Eng Sci. 2004;59:5853-5857. DOI: 10.1016/j.ces.2004.07.001
• [27] Nergao COR. Energy and buildings. 1998;27:155-165. DOI: 10.1016/S0378-7788(97)00036-4.
• [28] Zhao B, Chen JJ. Building and Environ. 2006;41:710-718. DOI: 10.1016/S0169-555X(01)00184-2.
• [29] Ma L, Ashworth PJ, Best JL, Elliott L, Ingham DB, Whitcombe LJ. Geomorphology. 2002;44:375-391. DOI: 10.1016/S0169-555X(01)00184-2.
• [30] Liu SX, Peng M. Comput Electron Agricult. 2005;49:309-314. DOI: 10.1016/j.compag.2005.05.003.
• [31] Mohammadi H, Bahramian F. Cardiovasc Eng. 2009;9:83-91. DOI: 10.1007/s10558-009-9078-z.
• [32] Ahmad AL, Lau KK, Bakar A, Shukor A. Comp Chem Eng. 2005;29:2087-2095. DOI: 10.1016/j.compchemeng.2005.06.001.
• [33] Wesseling P. Principles of Computational Fluid Mechanics. Springer Series in Computational Mathematics; 2000.
• [34] Ansys Fluent UDF Manual Ansys Inc; 2009.
• [35] Launder BE, Spalding DB. Comp Meth Appl Mechand Eng. 1974;3:269-289. DOI: 10.1016/0045-7825(74)90029-2.
• [36] Tsan-Hsing S, Liou WW, Shabbir A, Yang Z. Comp Fluids. 1995;24:227-238. DOI: 10.1016/0045-7930(94)00032-T.
• [37] Widomski MK, Kowalska B, Kowalski D, Kwietniewski M, Czerwiński J. In: Urban Water. Mambretti S, Brebbia CA., editors. WIT Press; 2012. DOI: 10.2495/UW120051.
• [38] Adams WA, Xu Y, Little JC, Fristachi AF, Rice G, Impellitterit CA, Environ Sci Technol. 2011;45:6902-6907. DOI: 10.1021/es201552x.