下水道接続部の設計
この記事は、バレンシア工科大学のダニエル・バレロ、ラファエル・ガルシア＝バルトゥアル、イグナシオ・アンドレス、フランシスコ・ヴァレスによって寄稿されました。
2010年12月、マドリード-バレンシア(スペイン)間の新しい高速鉄道が開通しました。建設前に克服しなければならなかった多くの技術的問題の一つは、市中心部の鉄道入口で、トンネルで構成されており、バレンシアの主要南下水道の迂回を余儀なくされました。迂回区間は143メートルの長さで、既存のものと比較して勾配と断面が大きく変化しており、以下に詳述する複雑な水理設計が含まれています。その水理性能は、 FLOW-3D による数値シミュレーションと、バレンシア工科大学の水理研究所での物理モデルの両方によって検証されました。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解析に FLOW-3D HYDRO を使用しています。最大容量100 m3/sでのテストが行われました。
下水道
図1は、鉄道トンネルを横断した直後に標準的なWESプロファイルが配置された下水道形状設計の主な特徴を示しています。この堰は、高速流を伴う超臨界流を発生させます。下流で望ましくない流れの状態が発生しないように、堰のすぐ下流に減勢池が設計されました。この減勢池は、下流側の接続下水道で大きなエネルギー損失と亜臨界流の状態を伴う水理ジャンプを引き起こします。さまざまな流量条件下での流れの挙動を保証するために、水路に2列の三角形ブロックが設けられ、減勢池の長さに沿って水理ジャンプを局所化するためのエネルギー散逸装置として機能します。新しい迂回水路と既存の区間（上流と下流）との接続は、滑らかな幾何学的遷移となっています（図2）。
 図1. 下水道の形状
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 図2. 下水道の区間2
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FLOW-3D 水力シミュレーション
問題の正確な解を得るために計算リソースを最適化するため、下水道は複数の重複する区間に分割され、水理学的解の連続性が保証されるとともに、各区間においてより細かいメッシュを使用できるようにしました。最も複雑な流れは減勢池で発生するため、この区間は最高解像度（6,000,000セル）で解析され、等高線と底部のブロックから中央の流れ領域にかけてセルサイズが徐々に変化しました。水理ジャンプのシミュレーション動画は、この記事の最後に掲載されています。
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乱流モデルにはk-e RNGを選択し、移流には明示的な2次単調性保持スキームを採用しました。自由表面の表現には分割ラグランジュ法を用いられました。定常状態解に至る前の過渡流は、より粗いメッシュでシミュレーションしました。図3および図4に、数値シミュレーションの関連結果を示します。また、本技術ノートには、水理ジャンプの数値シミュレーションを示す動画を添付しています。
水理ジャンプで発生する空気混入、特に乱流と自由表面の相互作用を考慮するため、さらにシミュレーションを実施しました。図5は、可変密度オプションを選択した FLOW-3D HYDRO の空気混入モデルを使用し、デフォルトの係数Cair= 0.5を使用した結果を示しています。
物理モデルとの比較
バレンシア工科大学の水理学実験室で物理モデルが構築されました。モデルに使用された幾何学的スケールは 1/20 でした。両方のアプローチ間で概ね一致が見られました。図6は、堰の真上にある臨界断面のプロファイルを示しています。検出された平均水深誤差は1.3%でした。流れのその他の構造特性は、 FLOW-3D HYDRO によって適切に再現されました。たとえば、下水道の湾曲区間に沿った自由表面の横断プロファイルと、堰の上流の遷移による自由表面の側面の凹みのサイズなどです。
結論
本研究の結果は非常に満足のいくものですが、実験結果と FLOW-3D HYDRO シミュレーションの間には若干の差異が見られました。実験結果と数値モデリング結果の比較については、以下の動画をご覧ください。
FLOW-3D HYDRO は、様々な形状や水理設計を検証する際に、実験室での実験回数を削減できます。さらに、最終設計においては、 FLOW-3D HYDRO のファイルによって速度、渦度、乱流強度などの関連場の詳細な時空間分布が得られるため、実験室で得られた結果や測定値を拡張するのに役立ちます。この複合的な手法は、本研究で言及されているような水理インフラの設計、検証、最適化において、非常に強力なツールとなることは明らかです。
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