Boundary水壩總溶解氣體問題改善方案

*本文由Hatch公司的水資源工程師 Nikou Jalayeri 提供

Boundary水壩位於華盛頓州東北部的龐多雷河上。該工程由一座340英尺高的混凝土拱壩、七個低位洩洪道出口、兩個高位溢洪道(溢洪道1和溢洪道2)以及一座大約1,003 MW的核准發電站組成。Boundary水力發電站的溢洪道和洩洪道排放會導致溢洪道下游的尾水和下游河段溶解總氣體 (TDG) 濃度升高。為了減少這些氣體的產生，委託進行研究以確定對項目溢洪道結構的修改方案。研究中許多水力設計問題的解決嚴重依賴於數值水力模型的結果。這些修改方案經過現場建造和測試。支援這些研究的CFD模型用於模擬七個洩洪閘門和兩個溢洪道中的流量。該模型也用來模擬這些水流進入並通過下游消能池和發電廠的情況。

本研究採用 FLOW-3D 進行分析，其主要優勢在於能夠模擬自由落射水流以及模擬湍流夾雜自由水面空氣的獨特演算法。我們的土木及環境工程領域的客戶使用FLOW-3D HYDRO進行此類模型的建模及分析。此分析能力使其非常適合模擬項目尾水道的各種複雜水流狀況。針對Boundary水壩研究開發的FLOW-3D HYDRO模型，主要用於了解溢流情況下既有項目尾水道控制氣體交換的水力和流體動力過程。此外，這些模型還被用於開發結構性TDG（總溶解氣體）減緩方案的設計（包括估算建議附屬設施預期的水力負荷），並結合TDG預測模型，預測建議TDG減緩方案的性能。

圖2. 未修改溢洪道1 水流3D視圖：流量10,000 cfs（左）、13,000 cfs（右

為了進行此項研究，在模型的溢洪道釋放具代表性的氣泡，並追蹤它們如何被捲入消能池和尾水道，在消力池內循環，最後浮出水面。模型追蹤了每個代表性氣泡伴隨的壓力和時間歷史數據，然後將這些追蹤數據作為TDG預測工具的輸入，以協助預測尾水道中溶解氣體的總產量。研究人員成功地力用實際現場TDG數據校準和驗證了整體預測性能。TDG預測使用兩步驟程序進行：首先應用CFD模型評估消力池的水力特性和流動模式，將CFD模型的水力輸出導入Excel開發的消能池氣體轉移(PPGT)模型。

模型首先模擬現有或基本案例場景的流動條件，通過每個溢洪道的流量分別為 10,000、13,000 和 20,000 cfs，並分析這些測試的模擬水力條件。然後將氣泡顆粒添加到該模型中，重新開機模型，並追蹤顆粒直到它們浮到水面並排回大氣中。

在基礎情況模擬後，進行了各種CFD模擬，以評估在溢洪道末端引入粗糙元素（REs）對水力條件的影響。這些REs的引入有助於更快且更有效地打散消能池末端的水流，加速邊界層的發展，讓小水塊進入沖擊池，而不是連續的水流。這種加速打散水流的方法有助於減少沖擊深度，並降低氣體傳輸量。考慮到溢洪道消能池底板和REs本身可能的空蝕損害，進行了額外的模擬，以測試在REs上游立即安裝斜坡對流動條件的影響。溢洪道1的RE幾何形狀如圖1所示。

圖3. 改良溢洪道1 水流3D視圖：流量10,000 cfs（左）、13,000 cfs（右）

最終模型結果用於評估引入這些修改方案後，下游在不同流量下TDG（水中總溶解氣體）濃度的影響。使用CFD模擬在現有和修改後條件下相同的溢洪道流量，從CFD結果中提取氣泡歷史數據，並輸入到TDG預測試算表模型中。結果顯示，針對溢洪道1，建議的RE（粗糙元素）配置在降低TDG生成方面效果顯著，但在大約10,000 cfs的流量下效果最佳。在較高的流量下，粗糙元素打散射流的能力似乎減弱，因為射流開始覆蓋粗糙元素，這導致噴流核心更強，能夠穿透水池更深的深度。圖2所示在10,000 cfs和13,000 cfs流量下基線（現有）情況和修改後的溢洪道1的差異。