CFD + 物理モデル の結果
この資料は、マニトバ・ハイドロ社水資源工学部水理工学・海洋学研究課長のケビン・シドール氏（理学修士、専門技術 者）、ハッチ社西カナダ水理工学分野実務責任者のジョー・グローネフェルド 氏、ラサール社コンサルタントのグラハム・ホルダー氏、ハッチ社水理工学分野実務責任者のDG・マレー氏（専門技術者、理学修士）によって提供されました。
左図はCFDシミュレーションで算出された水流速度（m/s）を示し、右図は建設長450mにおける第1段階仮締切工の運用時の物理モデルの写真との比較である。
発電所と放水路の建設のために一時的な陸地を確保するには、河川の分流を2段階に分けて行う必要がありました。マニトバ・ハイドロ社は、仮設の仮締切工の建設中に物理的条件が変化するにつれて、さまざまな場所での水位と流速がどのように変化するかを推定するシミュレーションを実施しました。そして、その結果を、仮締切工、分流構造物、河川閉鎖、放水路の1/120スケールモデルと、放水路の一部を1/50スケールモデルで測定した結果と比較しました。1/120スケールモデルの動作で観察された微妙な違いからモデルが修正され、その詳細はCFDシミュレーション内の境界条件を表すSTLモデルの変更としてフィードバックされました。この詳細なやり取りのプロセスにより、実物大モデルの挙動を約5%の誤差で予測できただけでなく、建設コストを削減できる設計変更も明らかになりました。
CFDモデルの設定とキャリブレーション
キーヤスク放水路の最終構造のシミュレーションを行い、水流速度（m/s）を検証して、実物大模型の運転結果と比較する。
河川の急流の特性と、放水路の並行区間を流れる流量の予想範囲の両方に対応するため、CFDモデルは、正規化群乱流モードと、一般化最小残差法に基づく暗黙的な圧力-速度ソルバーを使用するように設定されました。
メッシュは直交座標系で設定され、より細かいメッシュが必要な領域ではネストされたメッシュブロックを使用してグリッドを細分化しました。放水路構造物周辺のグリッド間隔は、放水路の橋脚、橋台、および放水路頂部の形状を含めるために、1m×1m×1mに設定しました。
シミュレーションの目的は、建設期間のさまざまな時点、および放水路ゲートのさまざまな位置（部分的に開いた状態から完全に開いた状態まで）における放水能力、水位、流速、および流れのパターンを推定することでした。これらの計算値は、仮締切工法の建設中に岩石充填材として必要な石のサイズを選択する上で重要です。個々の岩石は、建設のあらゆる段階で、岩石を本来の位置から下流に移動させようとする抗力に耐えられるだけの十分な大きさでなければなりません。
物理モデル
水力発電所の設計においては、最初から正しく設計しないと大きな損失につながるため、慎重に進める必要があります。重要な流れ場の縮尺模型を作成し、様々な放流量における重要な地形ポイントでの容量、圧力、流速、および放水路ゲートの挙動（全開時と部分開時）を検証することが依然として不可欠です。マニトバ・ハイドロ社は、ラサール・コンサルティング・グループに、このような模型の製作を依頼しました。1つは1/120スケールの総合レイアウト、もう1つは1/50スケールで2つの全水路と2つの半水路を含む部分放水路模型です。
統合モデリング結果
岩石サイズ予測のシミュレーションは、物理モデルにおけるサイズと力／動きの関係を考慮すると、やや保守的な結果となりました。しかし、初期の水位データ曲線は、シミュレーションと物理モデルの挙動が良好に一致しており、さらなる検証の準備が整った。モデル内で仮締切工が徐々に構築されるにつれて、その後の水位測定により、CFDシミュレーションが建設設計洪水条件下における必要な余裕高を正確に予測していることが示されました。
完成した仮締切工の物理試験の結果、流量制御は制御構造物ではなく水路入口で行われていることが判明しました。このため、上流側の水位が想定よりも高くなってしまいました。そこで、CFDモデルで使用した水位を反映させるため、物理モデルを再構成し、アプローチ水路の入口を低くしました。水路入口を低い位置に掘削したことで、水路左岸沿いの掘削は入口付近の狭い範囲でのみ必要となりました。
結論
マニトバ・ハイドロ社は、CFDモデリングがキーヤスク発電所および将来の水力発電所の建設と運用計画において、複数の利点をもたらすことを発見しました。2つのアプローチの結果は非常に良く一致しただけでなく、 FLOW-3D HYDRO シミュレーションと縮尺模型試験を組み合わせることで、両方の設計案の妥当性を向上させる反復的な方法が提供されました。さらに、このシミュレーションでは、物理的なゲージやタイムラプス撮影では実際に取得できる値が限られているのに対し、CFDモデル領域内の任意の場所で速度、水位、流量を簡単かつ迅速に抽出することができました。