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Ein neues, verallgemeinertes Modell für Blasenkoaleszenz und –zerfall wurde entwickelt. Es basiert auf physikalischen Überlegungen und berücksichtigt verschiedene Mechanismen, die zu Blasenkoaleszenz und –zerfall führen können. In einer ausführlichen Literaturrecherche wurden zunächst die verfügbaren Modelle zusammengestellt und analysiert. Es zeigte sich, dass viele widersprüchliche Modelle veröffentlicht wurden. Keins dieser Modelle erlaubt die Vorhersage der Entwicklung der Blasengrößenverteilungen entlang einer Rohrströmung für einen breiten Bereich an Kombinationen von Volumenströmen der Gas- und der Flüssigphase. Das neue Modell wurde ausführlich in einem vereinfachten Testsolver untersucht. Dieser erfasst zwar nicht alle Einzelheiten einer sich entlang des Rohres entwickelten Strömungen, erlaubt aber im Gegensatz zu den CFD-Simulationen eine Vielzahl von Variationsrechnungen zur Untersuchung des Einflusses einzelner Größen und Modelle. Koaleszenz und Zerfall kann nicht getrennt von anderen Phänomenen und Modellen, die diese widerspiegeln, betrachtet werden. Es bestehen enge Wechselwirkungen mit der Turbulenz der Flüssigphase und dem Impulsaustausch zwischen den Phasen. Da die Dissipationsrate der turbulenten kinetischen Energie ein direkter Eingangsparameter für das neue Modell ist, wurde die Turbulenzmodellierung besonders genau untersucht. Zur Validierung des Modells wurde eine TOPFLOW-Experimentalserie zur Luft-Wasser-Strömungen in einem 8 m langen DN200-Rohr genutzt. Die Daten zeichnen sich durch eine hohe Qualität aus und wurden im Rahmen des TOPFLOW-IIVorhabens mit dem Ziel eine Grundlage für die hier vorgestellten Arbeiten zu liefern, gewonnen. Die Vorhersage der Entwicklung der Blasengrößenverteilung entlang des Rohrs konnte im Vergleich zu den bisherigen Standardmodellen für Blasenkoaleszenz und -zerfall in CFX deutlich verbessert werden. Einige quantitative Abweichungen bleiben aber bestehen. Die vollständigen Modellgleichungen sowie eine Implementierung über „User-FORTRAN“ in CFX stehen zur Verfügung und können für weitere Arbeiten zur Simulation polydisperser Blasenströmungen genutzt werden.

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Ein neues, verallgemeinertes Modell für Blasenkoaleszenz und –zerfall wurde entwickelt. Es basiert auf physikalischen Überlegungen und berücksichtigt verschiedene Mechanismen, die zu Blasenkoaleszenz und –zerfall führen können. In einer ausführlichen Literaturrecherche wurden zunächst die verfügbaren Modelle zusammengestellt und analysiert. Es zeigte sich, dass viele widersprüchliche Modelle veröffentlicht wurden. Keins dieser Modelle erlaubt die Vorhersage der Entwicklung der Blasengrößenverteilungen entlang einer Rohrströmung für einen breiten Bereich an Kombinationen von Volumenströmen der Gas- und der Flüssigphase. Das neue Modell wurde ausführlich in einem vereinfachten Testsolver untersucht. Dieser erfasst zwar nicht alle Einzelheiten einer sich entlang des Rohres entwickelten Strömungen, erlaubt aber im Gegensatz zu den CFD-Simulationen eine Vielzahl von Variationsrechnungen zur Untersuchung des Einflusses einzelner Größen und Modelle. Koaleszenz und Zerfall kann nicht getrennt von anderen Phänomenen und Modellen, die diese widerspiegeln, betrachtet werden. Es bestehen enge Wechselwirkungen mit der Turbulenz der Flüssigphase und dem Impulsaustausch zwischen den Phasen. Da die Dissipationsrate der turbulenten kinetischen Energie ein direkter Eingangsparameter für das neue Modell ist, wurde die Turbulenzmodellierung besonders genau untersucht. Zur Validierung des Modells wurde eine TOPFLOW-Experimentalserie zur Luft-Wasser-Strömungen in einem 8 m langen DN200-Rohr genutzt. Die Daten zeichnen sich durch eine hohe Qualität aus und wurden im Rahmen des TOPFLOW-IIVorhabens mit dem Ziel eine Grundlage für die hier vorgestellten Arbeiten zu liefern, gewonnen. Die Vorhersage der Entwicklung der Blasengrößenverteilung entlang des Rohrs konnte im Vergleich zu den bisherigen Standardmodellen für Blasenkoaleszenz und -zerfall in CFX deutlich verbessert werden. Einige quantitative Abweichungen bleiben aber bestehen. Die vollständigen Modellgleichungen sowie eine Implementierung über „User-FORTRAN“ in CFX stehen zur Verfügung und können für weitere Arbeiten zur Simulation polydisperser Blasenströmungen genutzt werden.

Bei Einkopplung von Schall in ein Fluid können durch nichtlineare Effekte und Dämpfung Strömungen erzeugt werden. Diese Strömungen, die ihre Energie aus einem Impulsübertrag der Schallwelle auf die Flüssigkeit beziehen, werden akustische Strömungen genannt (engl.: acoustic streaming). Dieser Impulsübertrag hängt u.a von der Dämpfung der Schallwelle im Medium ab: bei stärkerer Dämpfung nimmt der Impulsübertrag zu und entsprechend die Geschwindigkeit der induzierten Strömung. Eine wichtige Rolle in der vorgelegten Arbeit spielt die Dämpfungserhöhung im Fall in der Flüssigkeit vorhandener Blasen. Dies ist insbesondere bei allen Prozessen von großer Bedeutung, in denen durch intensive (Ultra-)Schallfelder die Blasen in der Flüssigkeit selbst erzeugt werden (akustische Kavitation). Hier entstehen durch die mit den Blasen verbundene Dissipation sehr viel größere akustische Strömungsgeschwindigkeiten als im Fall ohne Kavitation. Zudem werden durch die Volumenoszillation und die Translation der Kavitationsblasen weitere Strömungen auf Skala der Blasengröße induziert. Mit einem in der Arbeit neu entwickelten Versuchsaufbau lassen sich Strömungen auf größeren und mittleren Skalen bis zu einzelnen Blasen in akustischen Kavitationsblasenfeldern abbilden und untersuchen. Durch die Farbtrennung eines speziellen Fluoreszenzmikroskopes ist es möglich, die Flüssigkeitsströmungen und die Kavitationsblasen simultan und getrennt aufzunehmen. Die Abhängigkeit der akustischen Strömungen von verschiedenen Einflussparametern wie Schallleistung, Temperatur und Gasgehalt der Flüssigkeit werden am Beispielfall einer bei 17 kHz betriebenen Ultraschall-Sonotrode (Schallhorn) in Wasser untersucht. Insbesondere der Übergang vom nicht kavitierenden zum kavitierenden Fall ist hier von Interesse, was durch die Möglichkeit eines statischen Überdrucks im Experiment gut beeinflusst werden kann. Es zeigt sich wie erwartet mit dem Einsetzen von Kavitation eine starke Zunahme der akustischen Strömungsgeschwindigkeiten, woraus auf den stark erhöhten Dämpfungskoeffizienten für Schallausbreitung geschlossen werden kann. Ebenfalls werden die sehr schnellen Mikroströmungen auf Blasenebene dokumentiert. Eine genauere Analyse ergibt auch das Auftreten von subharmonischem Verhalten bei Blasendynamik und Strömungsfeld. An speziellen Ultraschallwandlern werden zudem die rein akustischen Strömungen (ohne Auftreten von Kavitation) bei extremen, bisher für Dickenschwinger nicht erreichbaren Schallfrequenzen bis zu 2 GHz in Wasser experimentell untersucht. Hierzu wird ebenfalls der Fluoreszenz-Aufbau verwendet, Es zeigen sich relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten in Form eines vom Wandler weggerichteten Jets, der sich auch weit jenseits der Eindringtiefe des Schalls in die Flüssigkeit erstreckt. Dieses Verhalten wird ebenfalls numerisch mit einer Finite-Elemente-Methode modelliert. Hier wird neben ausführlichen, aber sehr zeitaufwändigen Rechnungen auch erfolgreich eine vereinfachte Simulation der akustischen Strömungen in dem betrachteten Fall sehr hoher Frequenz angewandt.

Ziele dieser Dissertation sind die Aufklärung der Strömungsverhältnisse und Untersuchungen zum Verhalten von Arzneimittelrückständen im Tegeler See, die Entwicklung eines Simulationsmodells für Szenarioberechnungen sowie die Ableitung neuer Bewirtschaftungskonzepte unter Zuhilfenahme der gewonnenen Erkenntnisse und Modellergebnisse. Das zweidimensionale Strömungsmodell 2D-POM kann die Mischungsverhältnisse der beiden Zuflüsse zum Tegeler See, insbesondere den Einstrom der Oberhavel, ausreichend genau abbilden. Der Oberhaveleinstrom ist sowohl windinduziert als auch vom Abfluss der Oberhavel abhängig. Der Wind wirkt je nach Windrichtung verstärkend oder abschwächend auf den Oberhaveleinstrom. Der Tegeler See weist im Vergleich zu anderen Oberflächengewässern, die als Trinkwasserressource dienen, die höchsten bisher berichteten Gehalte an Arzneimittelrückständen auf. Die räumliche Verteilung von Carbamazepin (CBZ) und Sulfamethoxazol (SMX) wird hauptsächlich durch die Verdünnung mit Oberhavelwasser bestimmt. Nur ein geringer Teil des CBZ (40%) wird im Tegeler See eliminiert. Für SMX konnte keine Elimination festgestellt werden. Im Gegensatz dazu wird Diclofenac (DCF) im Oberflächenwasser photolytisch abgebaut (50% in den Wintermonaten, mehr als 95% im Sommer). Die Konzentrationen von DCF im Tegeler See zeigen deshalb eine hohe saisonale Variabilität. Durch Simulation von sieben Bewirtschaftungsszenarien wurde untersucht, ob mithilfe der existierenden Seeleitung und Phosphateliminierungsanlage die Konzentrationen der Arzneimittelrückstände im Tegeler See verringert werden können, ohne die erfolgreiche Seerestaurierung zu gefährden. In keinem Szenario konnten die Gehalte an Arzneimittelrückständen und Phosphor gleichzeitig auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Aus diesem Grund sind ergänzende Maßnahmen notwendig, z.B. eine zusätzliche Spurenstoffentfernung im Zulauf des Sees oder eine weitere Phosphorreduzierung in der Oberhavel. / This cumulative thesis aims at (i) understanding the hydrodynamic characteristics of Lake Tegel, (ii) examining the occurrence and fate of pharmaceutical micro-pollutants in the lake, (iii) developing a modeling tool for scenario prediction, and (iv) utilizing the above findings and applying the above modeling tool to create new management strategies for Lake Tegel. The free-surface two-dimensional circulation model 2D-POM serves as an adequate tool for representing the intrusion of River Havel and the mixing intensity of both inflows, as validated by measured data. The calculations indicated that the intrusion of River Havel into Lake Tegel fluctuates with river discharge and wind, both of which can amplify or neutralize the other. Compared to other surface waters also used as drinking water resources, Lake Tegel seams to feature the highest ever reported pharmaceutical concentrations worldwide. The spatial distribution of carbamazepine (CBZ) and sulfamethoxazole (SMX) in the lake was shown to be primarily affected by dilution with water from River Havel rather than by degradation within the lake. By contrast, concentrations of diclofenac (DCL) are affected by both dilution and photodegradation. DCF showed the strongest elimination of all three pharmaceuticals and revealed significant seasonality with 50% elimination in winter and more than 95% in summer. Elimination of CBZ was 40%, while SMX did not degrade at determinable rates. Seven different management scenarios were tested to answer the question of whether the existing lake pipeline could be used to reduce the amount of pharmaceuticals in Lake Tegel without deteriorating the current phosphorus level. No scenario provided a strategy optimal for both pharmaceuticals and phosphorus. Consequently, additional efforts need to be made, such as supplementary pharmaceutical treatment of the inflow originating from the wastewater treatment plant, or phosphorus reduction in the River Havel catchment.

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