EREDOSプロジェクト： 覆われた流路の流量の数値モデリング
本プロジェクトは、欧州地域開発基金の共同出資を受けています。
この記事は、 BRL Ingenierie のGwenaël CHEVALLET、Marie-Christine GERMAIN、Sarah LASNE によって寄稿されました。
BRL ingenierieは、60年以上にわたる大規模水利インフラの経験を有し、フランス国内外における水工学分野の主要企業です。
図1. 2012年11月にロビアック・ロシュサドゥールで発生した覆土された河川の崩壊
鉱山活動の衰退以降、これらの建物は追加のメンテナンスを受けていません。2012年11月にフランス・ガール県ロビアック・ロシュサドゥールで発生した覆われた河川の崩壊は、時の流れで忘れ去られてきたこれらの建設に新たな注目を浴びることが重要であることを示しました。
BRL工技術が参加するEREDOS研究プロジェクトには、以下の目的があります。
- これらの被覆流路およびそれらを横断する構造物の診断研究(監視システム、機械的・水理的挙動など)を実施するためのツールと方法の開発。
- リスク指標と介入プロトコルを定義すること。
この研究枠組みの中で、BRLiは三次元CFDを用いてカバーされた川の問題に対処することを検証しました。CFDモデルは FLOW-3D ソフトウェアを用いて構築され、カバーされた川の詳細な3Dスキャン(RICHER社 – Geometer-Expert)を入力しました。現在、土木および環境のお客様は、このようなモデリングや解析のために FLOW-3D HYDRO を使用しています。
トンネルの3Dスキャン
ヴァレット川は、フランスのアレスから北へ20kmのロビアック＝ロシェサドゥール村に位置しています。石造りの構造物の全長は約250mです。以下の写真は下流方向から見たもので、3Dスキャナーで撮影した映像から切り取ったものです。高解像度の形状データを収集することで、 FLOW-3D HYDRO シミュレーションの入力として使用できる高精度の3D CADモデルを作成することができました。
 図2．トンネルの写真
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 図3．トンネルの360度ビュー
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 図4．3Dデジタル地形モデルの詳細
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水理モデル
主な課題は、 FLOW-3D HYDRO ソフトウェアで構築された地下水路全体の水理3D CFDモデルに基づくパラメトリックスタディでした。テストされた主なパラメータは次のとおりです。
- 上流および下流の境界条件
- 上流：流量または水位の調整
- 下流：自由流出または強制水位
- トンネルの絶対的な粗さ
- メッシュサイズ
- 乱流モデル（K-ε、K-ω、RNG）
- 流れの曝気現象の検討（単一流体［水］＋特定の空気モデルまたは二流体［水＋空気］モデル）
- 数値オプション（1次、2次…）
- 壁の法則
合計で40回以上の三次元CFDシミュレーションが実施されました。
 図5．上流側の加圧流（約120 m³/s）
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 図6．下流方向の自由表面流速（約120 m³/s）
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 図7．流線（約120 m³/s）
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 図8．空気の割合（約120 m³/s）
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水理学的結果
多くのパラメータを（時には非常に広い範囲で）変化させたテストにもかかわらず、トンネルを通過できる最大流量は、100～125 m³/sの範囲に安定して収まっているこの特定の前提条件と空間スケールにおいては、シミュレーション結果は、モデラーが検討したパラメータ空間の変動に対して、特に敏感ではないようです。
トンネルを通過できる最大流量は、約100 m³/sと推定されます。ここでいう最大流量とは、上流側の入口付近の自然地形に適合し、上流側の水位を約8～9m（モデル基準値）上昇させる流量を指しています。
このアプローチによって得られたトンネルの上流側流量曲線が挿入された。流量範囲60～120 m³/sでは、流量係数0.6で最初のトンネルに適用された暗渠法則は、 FLOW-3D HYDRO を使用して得られた流量曲線とよく一致します。
 図9．シミュレーション結果（約120 m³/s）
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 図10．トンネルの上流側流量曲線（約120 m³/s）
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構造物の水力応力
このタイプの三次元CFDモデルでは、シミュレーション結果から、構造物にかかる水圧応力の評価に関連する多くのパラメータ（動圧、せん断応力、散逸エネルギーなど）を抽出することが可能です。
これらの出力によって、構造物の安定性の現状を診断し、必要に応じて補強設計を行うことが可能になります。これらは、構造物の構造解析における入力データとなります。
問題となる流れの形態、すなわち加圧流と自由表面流が交互に現れる状況においては、壁面に凹みが生じる原因となるうねり現象が観察される可能性があり、これは有害となる可能性がある点に留意すべきです。
以下の図は、水力構造物にかかる圧力変化を明らかにすることができるレンダリングの一例を示しています。
 図11．構造（圧力）に関する結果の後処理
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 図12．構造に関する結果の後処理（散逸エネルギー）
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結論
高精度の3Dスキャンデータは、 FLOW-3D HYDRO などの高度なモデリングツールを用いた複雑な流れ条件の高度な三次元 CFDモデリングの基盤として利用できます。流量曲線や流れの詳細な表現、そして周囲のインフラにかかる過渡的な圧力条件などは、この種の研究から自然に得られる成果物の一部です。