トレンチ型ポンプサンプにおける 水理跳躍
この記事は、アイビス・グループのプリンシパルであるスティーブ・サンダース氏によって寄稿されました。
水理跳躍 は、開水路の応用に携わる人々には馴染みのある流れの現象です。ウィキペディアでは、水理跳躍を「開水路の流れが超臨界流から亜臨界流に急激に変化する状態」と定義しています。跳躍が発生する場所では、流速水頭が水面高度の上昇と交換される様子が観察できます。放水路などの流量制御用途では、侵食を軽減するためにエネルギーを散逸させる手段として、水理跳躍が意図的に設置されます。また、レクリエーション目的でも利用されます。水理跳躍によって発生する定常波は、海から何千マイルも離れたサーフパークでサーファーがライディングの練習をするのに使われます。水理跳躍の新しい応用例としては、自己洗浄型のトレンチ式ポンプサンプがあります。跳躍によるエネルギー伝達によって、通常のポンプ運転中に沈殿した固形物が再浮遊し、運び去られます。
トレンチ型サンプポンプのシミュレーション
FLOW-3D HYDRO は、水理跳躍のシミュレーションにおいて信頼性の高いツールであることが実証されており、自己洗浄型トレンチ式ポンプサンプの設計および実証に活用されています。トレンチ式ポンプサンプは、ポンプ吸込口が一列に並んだ狭い水路で構成されています。典型的な用途としては、流入水から砂利や砂を濾過する吸込口スクリーンがない雨水収集が挙げられます。その例を以下の概略図に示します。
この図はANSI/HI 9.8ポンプ吸込設計マニュアルからのもので、4台のポンプが設置されたサンプの平面図と立面図を示しています。流入カルバート、サンプ床、およびポンプ吸込口の床面からの高さの配置は、この設計タイプの自己洗浄能力にとって非常に重要です。流入カルバートは、サンプの最低運転水位よりも高い位置にあることに注意してください。また、流入端のトレンチ壁はオジー形状になっています。最後に、トレンチの右端にあるポンプ吸込ベルは、上流側のポンプの吸込ベルの高さの半分の高さに設定されています。
暴風雨イベントに対応した設計
嵐の後、砂利や砂がサンプの底に沈殿します。これらは再び浮遊し、漸進的な水理跳躍によって吸い上げられます。清掃サイクル中、トレンチの奥にある下部ポンプは、流入カルバートから流入する水よりも速い速度で水を吸い上げます。水位が通常の最低運転レベルを下回ると、流入水はオジー型の壁に沿って加速し、最終的に超臨界状態になります。サンプの水位が底に近づくと、水理跳躍が発生し、サンプに沿って進行し、奥の下部ポンプが吸引力を失うまで続きます。この様子は、以下の動画でご覧いただけます。
この一連の流れにおいて、水理跳躍は2つの重要な役割を果たします。跳躍の上流側の超臨界流部分は、サンプの底から砂利や泥を洗い流し、それらを再び浮遊させてポンプで汲み出すようにします。アニメーションの色スケールを見ると、オジーの基部における洗い流し速度が約9フィート/秒に達することがわかります。一方、跳躍の下流側の水位上昇により、下流側のポンプはサンプが汲み出されるまで運転を継続できるだけの十分な浸水深を確保できます。
マグノリア雨水ポンプ場
このセルフクリーニング サンプ アプリケーションに FLOW-3D HYDRO を使用すると、トレンチの形状を簡単に調整して、水理跳躍の動作を最適化できます。テキサス州エルパソのマグノリア雨水ポンプ場は、当初 FLOW-3D を設計および評価ツールとして使用しました。現在、土木および環境分野のお客様は、このようなモデリングと分析に FLOW-3D HYDRO を使用しています。2016年に稼働を開始したマグノリア雨水ポンプ場は、豪雨時の州間高速道路10号線の浸水を防ぐために建設されました。マグノリア雨水ポンプ場は、セルフクリーニングトレンチ型サンプ内に3台の大型垂直タービンポンプで構成されています。サンプの設計プロセスでは、 FLOW-3D HYDRO を使用していくつかの形状のバリエーションを評価し、セルフクリーニング機能によりポンプの運転効率とメンテナンスの容易さに最適な構成にたどり着きました。