本文由Hatch公司的水資源工程師Nikou Jalayeri提供

Boundary水壩位于華盛頓州東北部的Pend Oreille河上。該工程由一座340英尺高的混凝土拱壩、七個(gè)低位泄洪道出口、兩個(gè)高位溢洪道（溢洪道1和溢洪道2）以及一座大約1003MW的發(fā)電站組成。Boundary水力發(fā)電站的溢洪道和泄洪道排放會導(dǎo)致溢洪道下游的尾水和下游河段產(chǎn)生高濃度的總?cè)芙鈿怏w(TDG)。

為了減少這些氣體的產(chǎn)生，委托進(jìn)行研究以確定溢洪道結(jié)構(gòu)的修改方案。研究中許多水力設(shè)計(jì)問題的解決嚴(yán)重依賴于數(shù)值水力模型的結(jié)果。這些修改是在現(xiàn)場建造和測試的。支持這些研究的CFD模型用于模擬七個(gè)泄洪閘門和兩個(gè)溢洪道中的流場。該模型也用來模擬這些水流進(jìn)入并通過下游跌水池和發(fā)電廠的情況。

圖1. 溢洪道1的粗糙元件3D視圖

由于FLOW-3D能夠模擬自由落體射流，并且其獨(dú)特的算法可以模擬自由液面紊流夾帶的空氣，因此選擇FLOW-3D進(jìn)行分析。我們的土木和環(huán)境客戶現(xiàn)在使用FLOW-3D HYDRO進(jìn)行這些類型的建模和分析。這些功能使該軟件非常適合模擬項(xiàng)目尾水渠中各種復(fù)雜的流動條件。為Boundary水壩研究開發(fā)的FLOW-3D HYDRO模型主要用于了解在溢流條件下現(xiàn)有項(xiàng)目尾水渠氣體交換的水動力過程。此外，這些模型被用于開發(fā)結(jié)構(gòu)TDG緩解方案的設(shè)計(jì)（包括估算建議附屬設(shè)施上的預(yù)期水力負(fù)荷），并與TDG預(yù)測模型結(jié)合，預(yù)測建議TDG減緩方案的性能。

為此，在模型中的溢洪道上釋放了代表性的氣泡，并跟蹤了它們被帶入跌水池和尾水渠、在跌水池內(nèi)循環(huán)并最終在水面排出的過程。該模型追蹤了與每個(gè)代表性氣泡相關(guān)的壓力和時(shí)間。然后，這些數(shù)據(jù)被用作TDG預(yù)測工具的輸入，以幫助預(yù)測尾水渠中的總?cè)芙鈿怏w產(chǎn)量。整體預(yù)測性能已成功針對原型TDG數(shù)據(jù)進(jìn)行了校準(zhǔn)和驗(yàn)證。采用兩步過程對該項(xiàng)目進(jìn)行TDG預(yù)測：首先應(yīng)用CFD模型評估跌水池水力和流態(tài)，然后將CFD模型的水力輸出并導(dǎo)入使用Excel開發(fā)的跌水池氣體輸送（PPGT）模型。

首次運(yùn)行該模型是為了模擬現(xiàn)有或基礎(chǔ)情況下的流量條件，每個(gè)項(xiàng)目溢洪道的流量分別為10000、13000和20000立方英尺/秒。對該試驗(yàn)的模擬水力條件進(jìn)行了分析。然后將氣泡顆粒添加到該模型中，重新開始運(yùn)行，并跟蹤顆粒，直到它們能夠到達(dá)水面并排放回大氣。

在基礎(chǔ)情況模擬后，進(jìn)行了各種CFD模擬，以評估在溢洪道泄槽末端引入粗糙元件（REs）后的水力條件。這些REs的引入有助于更快、更有效地分解泄槽末端的射流，加速邊界層的生長，并導(dǎo)致進(jìn)入跌水池的水流不是連續(xù)的。這種加速的射流破裂將有助于減少沖擊深度和氣體轉(zhuǎn)移。鑒于對溢洪道槽底及粗糙元件（REs）可能產(chǎn)生氣蝕損傷的擔(dān)憂，進(jìn)行了額外的模擬，測試在粗糙元件上游立即安裝坡道對流動條件的影響。溢洪道1的粗糙元件幾何形狀見圖1。

改進(jìn)的溢洪道1射流3D視圖：10000立方英尺/秒流量（左），13000立方英尺/小時(shí)流量（右）

最終模型結(jié)果用于評估在不同流量條件下，這些改動對下游項(xiàng)目總?cè)芙鈿怏w（TDG）水平的影響。在現(xiàn)有條件和改造后條件下，以相同流量通過溢洪道進(jìn)行CFD模擬，提取氣泡歷史數(shù)據(jù)并將其輸入TDG預(yù)測模型。結(jié)果顯示，建議的溢洪道1粗糙元件配置在降低TDG生成方面效果顯著，但在約10000cfs流量下的效果最佳。對于更高流量，粗糙元件打散射流的能力似乎減弱，因?yàn)樯淞鏖_始越過粗糙元件，形成一個(gè)更強(qiáng)的射流核心，從而深入跌水池更大的深度。