境界ダムにおける 総溶解ガスの低減
この記事は、 HATCHの水資源エンジニアであるニク・ジャラエリ氏によって寄稿されました。
バウンダリーダムは、ワシントン州北東部のペンドオレイユ川に位置しています。このプロジェクトは、高さ340フィートのコンクリートアーチダム、7つの低水位水門、2つの高水位越流放水路（放水路1と放水路2）、および約1,003MWの認可容量を持つ発電所で構成されています。バウンダリー水力発電開発における放水路と水門からの放水は、放水路の末端水と下流の河川区間で高濃度の総溶解ガス（TDG）を生成することが示されています。このガス生成を軽減するために、プロジェクトの放水路構造の変更を決定するための調査が委託されました。調査における多くの水理設計上の問題の解決は、数値水理モデルの結果に大きく依存しました。これらの変更は、現場で構築およびテストされました。これらの調査を支援するために開発されたCFDモデルは、プロジェクトの7つの水門と2つの越流放水路を通過する流れをシミュレートするために使用されました。このモデルは、これらの流れがプロジェクトの下流にある落水池と発電所エリアに流入し、移動する様子をシミュレーションするためにも使用されました。
図1. 放水路1の粗度要素の3Dビュー
FLOW-3D は、自由落下するジェットをシミュレートする機能と、自由表面での乱流による空気の巻き込みをシミュレートする独自のアルゴリズムを備えていることから、解析に選定されました。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。これらの機能により、このプログラムは、プロジェクトの放水路における多様で複雑な流れ条件のシミュレートに非常に適しています。境界ダム研究用に開発された FLOW-3D HYDRO モデルは、主に、既存プロジェクトの放水路におけるガス交換をを支配する流体力学的および流体力学的プロセスの理解を深めるために使用されてきました。さらに、これらのモデルは、構造的なTDG緩和策の設計（提案された付属設備にかかる水理荷重の推定を含む）の開発、およびTDG予測モデルとの組み合わせによる、提案されたTDG緩和策のTDG性能の予測にも使用されています。
図2. 未改良の放水路1ジェットの3Dビュー：流量10,000cfs（左）、流量13,000cfs（右）
そのため、模型の放水路で代表的な気泡を放出し、それがプランジプールとテールレースに巻き込まれ、プランジプール内で循環し、最終的に表面に排出されるまで追跡しました。模型は、これらの代表的な気泡それぞれに関連する圧力と時間の履歴を追跡しました。このデータは、テールレースでの総溶解ガス生成量を予測するために、TDG予測ツールへの入力として使用されました。全体的な予測性能は、実際のプロトタイプ（現場）TDGデータに対して正常に較正および検証されました。TDG予測は、2段階のプロセスを使用してプロジェクトで行われました。まず、CFDモデルを適用してプランジプールの水理と流れのパターンを評価し、次にCFDモデルの水理出力をExcelを使用して開発されたプランジプールガス転送（PPGT）モデルにインポートしました。
まず、既存シナリオまたは基本シナリオにおける流量条件をシミュレーションするため、各プロジェクト放水路を流れる流量を10,000、13,000、20,000立方フィート/秒としてモデルを実行しました。このテストでシミュレーションされた水理条件を分析しました。次に、このモデルに気泡粒子を追加し、シミュレーションを再開して、粒子が水面に到達し、大気中に放出されるまで追跡しました。
基本ケースのシミュレーションに続いて、放水路シュート下流端に粗度要素（RE）を導入した場合に生じる水理条件を評価するために、さまざまなCFDシミュレーションが実施されました。これらのREを導入することで、シュート末端のジェットがより迅速かつ効率的に分裂し、境界層の成長が加速され、まとまった流れやジェットではなく、小さな「パケット」の水がプランジプールに流入するようになります。このジェットの分裂の加速は、プランジプールの全体的な深さを減らし、ガスの移動を減らすのに役立ちます。放水路シュートの床面とRE自体にキャビテーションによる損傷が生じる可能性が懸念されたため、粗度要素のすぐ上流にランプを設置した場合のREにおける流れ条件への影響をテストするために、追加のシミュレーションが実施されました。放水路1のREの形状を図1に示します。
図3．改良型放水路1ジェットの3Dビュー：流量10,000cfs（左）、流量13,000cfs（右）
最終モデルの結果は、さまざまな流量条件下で、これらの変更の追加がプロジェクト下流のTDGレベルに及ぼす影響を評価するために使用されました。既存の条件と変更された条件の両方で、放水路からの同一の流量でCFD実行が行われ、CFD結果から気泡履歴が抽出され、TDG予測スプレッドシートモデルに入力されました。結果は、放水路1の提案されたRE構成がTDG生成の削減に効果的であることを示していますが、約 10,000 cfs の流量で運転しているときに最大のTDG削減効果を発揮するようです。流量が増加すると、ジェットが粗さ要素を乗り越え始めるため、粗さ要素がジェットを分裂させる能力が低下するようです。これにより、より強力なジェット コアが形成され、プランジ プールのより深いところまで到達することができます。図2は、それぞれ10,000 cfs と13,000 cfs の流量における、ベースライン (既存) ケースと変更された放水路1の違いを示しています。