Boundary水坝总溶解气体减缓

本文由Hatch公司的水资源工程师Nikou Jalayeri提供

Boundary水坝位于华盛顿州东北部的Pend Oreille河上。该工程由一座340英尺高的混凝土拱坝、七个低位泄洪道出口、两个高位溢洪道（溢洪道1和溢洪道2）以及一座大约1003MW的发电站组成。Boundary水力发电站的溢洪道和泄洪道排放会导致溢洪道下游的尾水和下游河段产生高浓度的总溶解气体(TDG)。

为了减少这些气体的产生，委托进行研究以确定溢洪道结构的修改方案。研究中许多水力设计问题的解决严重依赖于数值水力模型的结果。这些修改是在现场建造和测试的。支持这些研究的CFD模型用于模拟七个泄洪闸门和两个溢洪道中的流场。该模型也用来模拟这些水流进入并通过下游跌水池和发电厂的情况。

图1. 溢洪道1的粗糙元件3D视图

由于FLOW-3D能够模拟自由落体射流，并且其独特的算法可以模拟自由液面紊流夹带的空气，因此选择FLOW-3D进行分析。我们的土木和环境客户现在使用FLOW-3D HYDRO进行这些类型的建模和分析。这些功能使该软件非常适合模拟项目尾水渠中各种复杂的流动条件。为Boundary水坝研究开发的FLOW-3D HYDRO模型主要用于了解在溢流条件下现有项目尾水渠气体交换的水动力过程。此外，这些模型被用于开发结构TDG缓解方案的设计（包括估算建议附属设施上的预期水力负荷），并与TDG预测模型结合，预测建议TDG减缓方案的性能。

为此，在模型中的溢洪道上释放了代表性的气泡，并跟踪了它们被带入跌水池和尾水渠、在跌水池内循环并最终在水面排出的过程。该模型追踪了与每个代表性气泡相关的压力和时间。然后，这些数据被用作TDG预测工具的输入，以帮助预测尾水渠中的总溶解气体产量。整体预测性能已成功针对原型TDG数据进行了校准和验证。采用两步过程对该项目进行TDG预测：首先应用CFD模型评估跌水池水力和流态，然后将CFD模型的水力输出并导入使用Excel开发的跌水池气体输送（PPGT）模型。

首次运行该模型是为了模拟现有或基础情况下的流量条件，每个项目溢洪道的流量分别为10000、13000和20000立方英尺/秒。对该试验的模拟水力条件进行了分析。然后将气泡颗粒添加到该模型中，重新开始运行，并跟踪颗粒，直到它们能够到达水面并排放回大气。

在基础情况模拟后，进行了各种CFD模拟，以评估在溢洪道泄槽末端引入粗糙元件（REs）后的水力条件。这些REs的引入有助于更快、更有效地分解泄槽末端的射流，加速边界层的生长，并导致进入跌水池的水流不是连续的。这种加速的射流破裂将有助于减少冲击深度和气体转移。鉴于对溢洪道槽底及粗糙元件（REs）可能产生气蚀损伤的担忧，进行了额外的模拟，测试在粗糙元件上游立即安装坡道对流动条件的影响。溢洪道1的粗糙元件几何形状见图1。

改进的溢洪道1射流3D视图：10000立方英尺/秒流量（左），13000立方英尺/小时流量（右）

最终模型结果用于评估在不同流量条件下，这些改动对下游项目总溶解气体（TDG）水平的影响。在现有条件和改造后条件下，以相同流量通过溢洪道进行CFD模拟，提取气泡历史数据并将其输入TDG预测模型。结果显示，建议的溢洪道1粗糙元件配置在降低TDG生成方面效果显著，但在约10000cfs流量下的效果最佳。对于更高流量，粗糙元件打散射流的能力似乎减弱，因为射流开始越过粗糙元件，形成一个更强的射流核心，从而深入跌水池更大的深度。