取水ポンプ場の流体シミュレーション

◎取水ポンプ場の流体シミュレーション

概要

Water Europeが、中東で開発計画している新しい取水ポンプ場の設計にあたって運用予測のため、
PHOENICSを使って流体シミュレーションを行いました。　シミュレーション目的は、前湾（アプローチチャネル）から4つのポンプを分離する仕切り壁と取水口を通りポンプ場に入る水をモデル化することでした。　このシミュレーションに際して、ポンプ場の”2つの配置方法”を検討しました。
１つはアプローチチャネルに対して角度90°、2つ目は角度30°でポンプ場を配置して、分離壁を通ってポンプに到達する水流を3次元速度場の計算比較をしました。

モデル作成

CFDのモデルは、アプローチチャネルの地形データと２パターンの向きのポンプ場のCADデータを読み込んで作成しました。　さらに、このモデルはパイプの前でポンプ取水口の下流にある模式的に表現した４つの位置で終結しています。　また、計算ケースはともに上流の水位と下流でのポンプ流量の両方を固定した単相の定常計算モデルとして実行しました。

解析結果

初期（初めの）ケースでは、イールスクリーン（塵芥除去スクリーン）を設けない場合の水の流れを計算しました。　16GBのメモリを搭載した3.4GHzクアッドコアPCで約2.5時間で（計算が）収束しました。
次に、アプローチチャネル（前湾）に対して角度90°のケースの場合、アプローチチャネル（前湾）内の水の勢いは、大部分が下流のバッフル（調節板）を通って、ステーション（取水場）に入ります。
すべて同じ抽出速度で動作するポンプは、バッフル（調節板）と分離壁の間の領域で強制的に水を再分配するため、不均一に循環する流れ場が発生します。　これにより、ポンプ場のアプローチチャネル（前湾）において大きな領域で循環水流が発生しました。

また、ポンプ場設計において、アプローチチャネル（前湾）に対してポンプステーションに浅い30°の角度設けるといった代替案も検討されました。
しかし、アプローチチャネル（前湾）からの強い勢いの水は、アプローチチャネル（前湾）と同じ方向に沿って移動し、ポンプとオーバーフローチャネル内の圧力の蓄積によりポンプステーションに行くことがわかり、部分的にしか成功しないことが証明されました。

この事例は、CFDシミュレーションを活用することで、ポンプ場の本格的な建設に先立って建築コストやスピードなどのメリットを簡潔に示すことに寄与しました。

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