流体力学スクリュー
この資料は、ミュンヘン工科大学油圧機械研究所 RMD Consult GmbH の Matthias Haselbauer 博士によって寄稿されました。
小規模水力発電の利用は、エネルギーコストの上昇を抑制する手段としてますます興味を持たれています。大規模な従来型水力発電施設は、巨額の資本投資と規制審査のための長いリードタイムを必要とします。小規模な発電所でも新型タービンを導入できます。これらの新しいタイプの例の一つが、アルキメデス輸送ねじの原理に基づく流体力学スクリューを表しています。
排出口の右側では、高速の水しぶきが見られます。これが騒音の主な原因となります。流体スクリューを使用する際の問題点の一つは、搬送スクリューと比較して回転方向が変わることで発生する大きな騒音です。境騒音規制のため、騒音排出量は都市部における発電所建設の決定的な要因となることが多々あります。
物理モデル
流体スクリューの使用における騒音の発生と原因を調査するため、ミュンヘン工科大学の水力学研究所で一連の実験室試験が実施されました。縮尺模型の実験室試験では、上流側と下流側の水位、流量、回転速度、騒音レベル、および結果として生じる電位間の物理的な流れの相関関係が調べられ、さまざまな騒音源が特定され、分離されました。搬送スクリューと同様の標準的な流体スクリューに加え、4種類のスクリューとハッチが試験され、最適な形状変更により、装置の効率に重大な悪影響を与えることなく、10 dB以上の騒音低減が実現されました。
CFDシミュレーション
実験室での試験に加え、FLOW-3Dを使用した非常に複雑なシミュレーションもいくつか実施しました。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解析に FLOW-3D HYDRO を使用しています。回転形状の3次元モデリングは、 FLOW-3D HYDRO と使用するハードウェアの両方に大きな負荷をかけました。汎用移動物体(GMO)モデルを使用すると、メッシュの調整やメモリ割り当ての変更なしに、タービンやスクリューなどの複雑な移動または回転形状を計算できます。流体と固体の相互作用を計算するにはGMOモデルが必要であり、水面高度を計算するには FLOW-3D HYDRO のTruVOFアルゴリズムが不可欠でした。
スクリューの先端にバルブを使用することで（右図）、出口における流速場がより均一になった。
小屋底部の開口部を通して一部の排出物を迂回させることで、騒音の発生を大幅に低減できる。
圧力情報（左）を統合することで、異なる幾何学的構成によって生じる効率効果に関する情報が得られた。
CFD解析結果の検証
シミュレーションでは、4種類のスクリューとハッチのそれぞれの流れを計算し、比較しました。得られた結果により、実験室での結果を検証することができました。さらに、速度場と圧力場のデータ処理を追加することで、形状の最適化が可能になりました。前述のハイブリッドモデル（CFDシミュレーションと実験室試験の組み合わせ）に基づき、流体スクリューの騒音レベルを10dB以上低減することに成功しました。この大幅な騒音低減により、特に都市部において、この種の小型水力発電所の新たな用途が数多く開拓されることになります。
謝辞
シミュレーションデータの可視化と後処理は、Ingenieurbüro EDR GmbHのFranziska E. HammerlがIntelligent Light社のFieldViewを使用して行いました。