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Strömungsverteilung im Aquarium

Vielleicht haben Sie sich auch schon die Frage gestellt, wo man das Wasser am besten ins Aquarium einleitet und wo man das Ansaugrohr des Filters positionieren soll, damit alle Bereiche des Beckens ausreichend durchströmt werden und die Pflanzen ausreichend mit Nährstoffen versorgt werden.

Strömungssimulation

Die Strömungssimulation mit einem CFD-Programm ist eine etablierte Methode, dreidimensionale strömungsmechanische Probleme näherungsweise mit numerischen Methoden zu lösen. Die Bearbeitung eines strömungstechnischen Problems gliedert sich dabei in fünf Arbeitsschritte:

1. Erzeugung der "Fluid-Geometrie", hier die Außenkontur des Aquariums also ein Quader mit einer einfachen Modellierung des Filtereinlaufs und des Ansaugrohres an den gewünschten Orten.
2. Vernetzen der "Fluid-Geometrie", hierbei wird das Geometriemodell in viele kleine rechteckige Zellen im rechtwinkligen Koordinatensystem unterteilt.
3. Definieren der Fluid-Eigenschaften und Randbedingungen, in diesem Fall also die physikalischen Eigenschaften des Aquariumwassers bei einer Temperatur von 25°C
   und des Volumenstroms am Filter-Auslass.
4. Lösung mit Hilfe der Modellgleichungen, was von der Software übernommen wird. Hierbei wird für jede Zelle des generierten Netzes der Druck, die Geschwindigkeitsvektoren und die Temperatur berechnet.
5. Das Postprocessing. Hierunter versteht man die Grafische Aufbereitung und Darstellung der Ergebnisse, zum Beispiel Temperatur- oder Geschwindigkeits-
   verteilungen mit Hilfe eines Contourplots oder in der Vektordarstellung. Der Hauptströmungsverlauf kann zudem auch in sogenannten "Streamlines" dargestellt werden.

Strömungsverteilung in einem Aquarium

Aufgabenstellung ist die Simulation unterschiedlicher Positionen von Filterauslauf und Filtereinlauf. In der Variante 1 befinden sich Filter-Auslass und Absaugrohr an gegenüberliegenden Positionen im Aquarium. In der Variante 2 sind beide nebeneinander in der selben Ecke angeordnet.

Als Beispielmodell habe ich ein Aquarium mit den Abmessungen 100x50x50 gewählt. Von der Höhe wurde noch der Bodengrund (8 cm) abgezogen, da dieser nicht vom Wasser durchströmt wird. Das gezeigte Rechenmodell erscheint daher etwas flacher. Der Filterauslauf wurde so ausgerichtet, dass die Strömung in einem flachen Winkel auf die Frontscheibe trifft (etwa hinter der Frontscheibenmitte). Der Volumenstrom wurde mit 250 l/min am Filter-Auslass definiert. Das Aquarium wurde als stark vereinfachter Fall idealisiert und ohne Einrichtungsgegenstände angenommen. In speziellen Untersuchungen lassen sich selbstverständlich auch Strömungswiderstände wie zum Beispiel Dekorationsmaterial und dicht gewachsene Pflanzengruppen in dem Simulations-Modell einbauen.

Zur Darstellung der Ergebnisse wurde der Hauptströmungsverlauf durch "Streamlines" gewählt und in der folgenden Bilderreihe dokumentiert.

Isometrische Ansicht

Ansicht von oben

Ansicht von vorn

Isometrische Ansicht

Ansicht von oben

Ansicht von vorn

Fassen wir noch mal zusammen. Die Streamlines stellen die Hauptströmungsrichtung dar. Die Farben der Streamlines sind ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Die Farben reichen von blau (langsame Strömungsgeschwindigkeit) bis gelb-rot (hohe Strömungsgeschwindigkeit). Man erkennt, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit bei beiden Varianten sehr schnell verliert, noch bevor sie von der Frontscheibe abgelenkt wird.

• Im oberen Beispiel (Variante 1) wird die Beckenregion unter dem Filtereinlauf nicht ausreichend durchströmt. Die Strömungsgeschwindigkeit nimmt hier aufgrund einer gegengerichteten Strömung und der damit verbundenen Aufspaltung des Hauptstroms etwas schneller ab als bei der Variante 2. Allerdings scheint die Vermischung des Aquariumwassers in der Beckenmitte hier etwas besser zu sein.
• Im unteren Beispiel (Variante 2) wird die Beckenregion unter dem Filtereinlauf hingegen gut durchströmt. Die Ausprägung der Hauptströmung scheint hier etwas stärker zu sein. Sie wird von der Frontscheibe zur rechte Seitenwand geleitet. Zwangsweise entsteht auch hier eine Region (in der rechten Beckenhälfte), in der es zu einer unzureichenden Vermischung des Wassers kommt. An der Rückwand etwa in Beckenmitte bildet sich ein Wirbel, der ähnlich wie im ersten Beispiel für eine gute Umwälzung des Wasser in der gesamte Höhe der Wassersäule sorgt.

Aufgrund der getroffenen Annahmen und starken Idealisierung des Aquariums ohne Einrichtungsgegenstände wird die Aussagekraft des Ergebnis verzerrt, da die Strömung nicht durch Hindernisse, wie sie normalerweise im Aquarium anzutreffen sind, behindert wird. Nichts desto trotz vermittelt die Simulation ein Gefühl für das Verhalten des Wassers im Aquarium.

Man kann davon ausgehen, dass, egal wie Filter-Auslass und Ansaugrohr angeordnet werden, immer Regionen vorhanden sind, die schlecht durchströmt werden. Von der Tendenz her scheint die Anordnung, bei der sich Filter-Auslass und Ansaugrohr in der selben Ecke befinden, etwas günstiger zu sein. Ich habe diese Erkenntnis zum Anlass genommen, in meinem Aquarium Filter-Auslass und Ansaugrohr in der selben Ecke unterzubringen und in der "Totzone" in der rechten Beckenhälfte eine mit Javafarn bepflanzte Holzwurzel platziert:

Weitere Informationen zur Strömungssimulation:

• Strömungsberechnung im Aquarium
• CFD Mechanical Analysis Solutions, Homepage des Software-Anbieters

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