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FLOW-3D 在水利工程上的應用-水力發電廠 引水口冰塊 模擬

 

FLOW-3D 在水利工程上的應用
Numerical simulation of an hydraulic power intake-ice modeling
水力發電廠 引水口 -- 冰塊 模擬
發表單位: Complex Flow Design ( Norway )

挪威的現況說明
挪威的緯度在於北緯 58 o N 到 71 o N 之間, , 位置大約是在北極海 / 北太西洋以及瑞典之間。
面積大小: 324,220 平方公里 ( 比美國新墨西哥洲略大 )
      土地面積 : 307,860 平方公里
      水面積 : 16,360 平方公里
氣候:海岸區域的溫度會受到北大西洋的影響,西岸地區雨多,而且溫度會受到降雨的影響。
地形:受到冰河作用的影響,挪威屬於多山及多峽谷的地形。
地理環境: 2/3 區域為山地地形,沿著海岸線約有五萬多個島嶼。
高度: 最低點 : Norwegian Sea 0 m
    最高點: Galdhopiggen 2,469 m

挪威的水力發電廠現況說明
水力發電是挪威最重要的天然資源,大概佔了 99.5% 的發電量。

圖 1 、挪威現有水力發電廠壩體狀況分類

目前水力發電的問題點
春天時冰塊會大量融化
冰塊沖毀壩體
冰塊在引水口區域造成阻塞,造成無法引水
冰塊會損毀閘門,並且造成水災

圖 2 、水壩的冰塊阻塞狀況

解決方法
將引水口的位置放置低於水面
建立一套可開關的閘門系統,利用開關時產生的衝擊波將冰塊擊破成小塊,讓小冰塊的流動不影響壩體安全。

模擬預測工具
FLOW-3D GMO 模組
GMO 的物件僅適用於剛體( Rigid Body )
GMO 的運動可以是使用者指定 (prescribed motion) 或者是由流體運動造成的耦合動態運動 (coupled motion)
一個分析問題中會有多個 GMO 物件
GMO 可以進行六個自由度的模擬設定(也可以固定軸或固定點)

模擬流程
將分析地形圖數值化,建立成 STL 檔格式
FLOW-3D 前處理設定
執行分析(冰塊未移動,僅考慮水流運動)
執行分析(考慮冰塊在水流移動下的運動模式)

分析模型建立

圖 3 、分析地形圖


圖 4 、分析地形 + 壩體設計模型


圖 5 、壩體局部放大

水工模型

圖 6 、與模擬驗證之水工模型建立

輸入設定
分析模組 (GMO based on FLOW-3D R 9.0)
水的密度 =1000 kg/m3
冰塊密度 =970 kg/m3
13 塊不同尺寸的冰塊
6 degrees of freedom, coupled motion
開啟物件碰撞設定
Energetic restitution coefficient for collisions=0.5
Friction coefficient for collisions=0
Implicit GMO solver
Omega (under-relaxation coefficient)=0.6

分析結果
30 m3 /s, 閘門開啟 , 冰塊移動模擬

30 m3 /s, 閘門關閉 , 冰塊移動模擬


結論:
分析結果與水工模型驗證一致。