Zur Erprobung neuer Abwassersysteme liefert bisher folgendes zweistufiges Verfahren Erkenntnisse über die jeweiligen Einflüsse des Rohrsystems und der Wand:

1. Zunächst werden die Eigenschaften des Abwassersystems als Luft- und Körperschallquelle nach DIN EN 14366-1 durch Anregung mit unterschiedlichen konstanten Volumenströmen messtechnisch bestimmt.
2. Die Eigenschaften des Abwassersystems dienen anschließend als Eingangsgrößen für eine Prognose nach DIN EN 12354-5 zur Berechnung der Schalldruckpegel in angrenzenden Empfangsräumen.

Eine ausführliche experimentelle Parameterstudie zur Entwicklung ressourcenschonender und akustisch optimierter Abwassersysteme erfordert aufgrund des ersten Schritts einen hohen Materialeinsatz und ist auch wegen des hohen Zeitaufwands in einer Prüfumgebung kostenintensiv. Aus diesem Grund soll ein numerisches Simulationsmodell entwickelt werden, mit dem effizient Parameterstudien durchgeführt werden können.

Im Rahmen der Masterarbeit wurde ein solches Simulationsmodell mithilfe der Software »Comsol Multiphysics« am Fraunhofer IBP aufgebaut. Im ersten Versuch erfolgte die Abbildung der Geometrie des Abwassersystems durch einen Biegebalken mit zugewiesenen Rohreigenschaften. Der Lösungsraum war dabei eindimensional, sodass der Fokus auf den vertikalen Biegeschwingungen des Rohrsystems lag und so die Rechenzeit begrenzt werden konnte. Neben dem vertikalen Fallrohr wurden ebenso die Rohrschellen mit zugehörigen in der Wand eingespannten Schrauben sowie ein horizontales Wasser-Einlass-Rohr nachgebildet. Aufgrund der komplexen und zum Teil stochastischen Anregung des Wasserflusses basierte das erste Simulationsmodell auf einer Punkt-Anregung mit einem rosa Rauschen auf der Höhe des Wassereinlasses, die experimentell durch einen kalibrierten Shaker dargestellt wurde.

Bereits in der ersten Version des Simulationsmodells konnten vielversprechende Ergebnisse in ähnlicher Größenordnung wie die der Messung festgestellt werden. Im Rahmen einer Parameterstudie des Simulationsmodells sollten die wesentlichen Einflüsse auf die Abweichungen zwischen Simulation und Messung ermittelt, und das Simulationsmodell dadurch gezielt angepasst werden. Als besonders einflussreiche Parameter erwiesen sich dabei die Maße der Schellenschrauben zur Befestigung der Rohrschellen an der Wand, die Biegesteifigkeit der Rohrschellen sowie der Verlustfaktor des Rohrmaterials. Diese Einflussfaktoren wurden am realen Rohrsystem erneut möglichst exakt bestimmt, sodass sich die Genauigkeit des Simulationsmodells weiter erhöhte. Die verbliebenen Abweichungen konnten darauf zurückgeführt werden, dass außerhalb der Biegeschwingungen weitere Schwingformen am realen Abwassersystem infolge der Punktkraftanregung existieren, welche nicht bzw. nicht ausreichend genau durch ein eindimensionales Balkenmodell nachgebildet werden konnten. Als weitere Schritte in diesem Projekt verbleiben somit:

1. die Simulation des Abwassersystem durch ein dreidimensionales Simulationsmodell,
2. die Nachbildung der Wasseranregung und abschließend
3. die Verifikation an mehreren, verschiedenen Rohrsystemen.

Die Entwicklung eines fortgeschrittenen Simulationsmodells bietet für Hersteller von Abwassersystemen und Begleitprodukten erhebliche Vorteile. Die Verwendung numerischer Simulationsverfahren erlaubt eine kosteneffiziente und präzise Vorhersage des Schwingungsverhaltens von Abwassersystemen ohne den aufwendigen und teuren Einsatz physischer Prototypen. Durch die frühzeitige Identifikation potenzieller Probleme in der Designphase können Produktentwicklungszeiten signifikant verkürzt und die Gesamtkosten gesenkt werden. Dies stellt eine attraktive Lösung für Unternehmen dar, die nachhaltige und leistungsfähige Abwassersysteme entwickeln möchten. Unser Angebot umfasst nicht nur die Bereitstellung der Simulationssoftware, sondern auch eine umfassende Beratung und Unterstützung bei der Implementierung des Simulationsmodells in Ihre bestehenden Entwicklungsprozesse. Kontaktieren Sie uns, um zu erfahren, wie Sie von unseren innovativen Simulationslösungen profitieren und Ihre Projekte im Bereich der Abwassersysteme erfolgreich vorantreiben können.

Das Fraunhofer IBP betreut jedes Jahr zahlreiche Abschlussarbeiten. Damit werden wir unserem gesellschaftlichen Auftrag gerecht, junge Fachkräfte zu qualifizieren und schaffen einen Transfer unserer Forschungsergebnisse durch Köpfe. Die hier aufgeführte Kurzmitteilung entstand in Zusammenarbeit mit Florian Anger, der seine Masterarbeit an der Fakultät Ingenieurwissenschaften der Hochschule Mittweida in Kooperation mit dem Fraunhofer IBP verfasst hat.