サン・ロケ 水力発電所
この記事は、Engevix Engenharia S/Aの Diego David Baptista de Souza、Alexandre Charles Allain、および Anaximandro Steckling Muller によって寄稿されました。
サン・ロケ 水力発電所 プロジェクトは、ブラジルのサンタカタリーナ州、カノアス川に位置しています。ローラー転圧コンクリートダムにより、141.9MWの発電容量を実現しています。図1にプロジェクトの位置を示します。
図 1 – サン・ロケ水力発電所の位置
シミュレーションされたすべての形状には、物理的な構築のための固定パラメータである、1.2 mの一定の段差高さと53°の傾斜が含まれています。図2と図3は、2つの形状を示しています。数値モデルには、TruVOF技術を使用した空気の巻き込みと自由表面の追跡が含まれています。カラー凡例は水の濃度を表し、1は100%水、0は100%空気です。解析は、放水路の断面モデル、つまりy軸方向の単一の2Dブロックを使用して行われました。
ジェット噴出に対応する流量を測定することで、関連する形状を比較し、最も効率的な形状を特定することができます。ジェット噴流の偏向に対応する臨界流量は、貯水池の水位が低下する速度と、シミュレーションで使用されるメッシュのサイズに依存します。
ジェットの偏向が発生する最低流量（0.27 m³/sm）を示すため、形状構成番号1（図2の上部）が建設用に選択されました。
放水路の水位プロファイルとエネルギー散逸
上部放水路におけるジェット流の偏向
図2は、「クリーガー」形状と階段状断面の遷移部における2つの幾何学的設計（上図と下図）の比較を示しています。左側では、流れはスキミング状態にあります。中央では、貯水池の水位が徐々に低下するにつれて、流量に変動が現れ始めます。右側では、定常状態の放流量でジェット噴出が示されています。
 図2 – 2つの幾何学的デザインの比較
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 図3 – 放水路の水量とエネルギーのプロファイル
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 図4 – 階段式放水路における乱流エネルギー散逸
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階段式放水路の水位プロファイルとエネルギー散逸は、想定される最大洪水について評価されました。標準階段法と空気混入モデルが使用され、その後 FLOW-3D と比較されました。当社の土木および環境分野のお客様は、現在、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。図3は、数値モデルと理論モデルの両方の結果を示しています。この現象を評価するために、 FLOW-3D HYDRO で断面モデルが作成されました。
数値シミュレーションで得られた水位プロファイルは、空気混入を考慮した場合、理論モデルとよく一致します。エネルギープロファイルは、理論モデルで保守的でない結果を示すなど、若干の差異が見られます。これらの差異は、階段状水路が始まる前のクリーガープロファイルでの水頭損失を無視するなど、いくつかの理論的仮定の結果である可能性があります。下流では、放水路に直接接する水理ジャンプのため、 FLOW-3D HYDRO エネルギープロファイルが低下します。図4は、 FLOW-3D HYDRO による乱流エネルギー散逸を表します。
タービン入口における流量分布
図5 – タービン入口上流側の流路管路
上流側の境界条件は流量源で設定され、取水口の終端に配置されます。下流側、タービン入口では、ベルヌーイの式が成り立つように特定の圧力が設定されます。水頭損失は理論的に計算され、この式から差し引かれます。最後に、数値モデルと理論計算における水頭損失が等しくなるように、絶対粗度が較正されました。最終的に、鋼製水圧管路の粗度とよく一致する2 mmの粗度が設定されました。メッシュサイズは0.5 mのセルで設定されました。
3つの構成すべてにおいて、タービン入口直前の断面下部で流速が高くなっています。断面1と断面2の間では流れはあまり変化していません。実際、水深平均流速と圧力分布に関して、全体的な結果から、流れは直径変化直後にすでに安定していることがわかります。興味深いことに、構成3でも、流速分布は直線水平部全体にわたって発達し続けています。したがって、この水平水圧管路の長さを長くする必要はないと考えられました。また、そうするとコストと水頭損失が大幅に増加します。そのため、最終プロジェクトでは当初のプロジェクト概要が維持されました。このシミュレーションは、数値モデルが意思決定支援のための効率的かつ迅速なツールであることを示しています。
ドラフトチューブ出口
ドラフトチューブは流れを放水路へと拡散させる。しかし、断面積が急激に拡大するため、流れの様相が変化し、乱流の著しい減衰と水頭損失が生じます。水頭損失は数値モデルを用いて算出することができます。
上流側の境界条件は体積流量で設定され、ドラフトチューブ内の水門部に位置します。下流側には、通常の運転水位に相当する特定の圧力が設定され、メッシュサイズは0.5mのセルで設定されました。
数値モデルでは14cmの水頭損失が生じるのに対し、理論計算ではより保守的な16.7cmとなります。3D数値シミュレーションを用いる利点は、水頭損失を最小限に抑えるように形状を最適化できる点にあります。
 図7 – 流速の大きさおよびベクトルで表したドラフトチューブ出口および放水路の断面図
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 図6 – FAVOR™オプション付き3ユニットのドラフトチューブ出口の下流側からの眺め
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結論
計算モデリングは、水理技術者にとって有用なツールです。 FLOW-3D HYDRO のようなパッケージは、非常に効率的で迅速なツールです。これらを用いることで、プロジェクトの納期遵守が容易になり、代替案や最適化によってコスト削減も可能になります。著者らの経験から、様々な問題において3次元モデリングは優れた選択肢であり、物理モデリングと併用できる追加ツールとして活用できることが分かっています。場合によっては、物理モデルを置き換えることも可能で、サン・ロケ水力発電所の事例がまさにそれでした。さらに、予備的な3次元数値最適化によって物理モデルの設計を支援することもできます。