FLOW-3D HYDRO 計算流體動力學(xué) (CFD) 軟件回答了有關(guān)新不倫瑞克歷史悠久的 Mactaquac 大壩未來的重要問題。

修建小溪和河流來發(fā)電并不是什么新鮮事。從阿普爾頓開始，威斯康星州于 1882 年在?？怂购由辖ㄔ炝嘶鹕窠止S——世界上第一座水力發(fā)電廠——大壩現(xiàn)在占全球所有可再生能源的70% 以上。

從華盛頓州的 Grand Coulee 和 Chief Joseph 大壩到不列顛哥倫比亞省的 Mica 和 WAC Bennett 大壩，美國和加拿大擁有近 3,000 個水電站，為超過5000 萬戶家庭供電，并產(chǎn)生了大約 80% 的可再生能源消耗北美。

長期以來，設(shè)計這些巨大的物體一直是最苛刻的工程活動之一。首先，澆筑數(shù)百萬噸混凝土?xí)斫Y(jié)構(gòu)性問題，其次是需要管理數(shù)兆瓦的電力。但它正在確定使水流過、越過和繞過大壩和溢洪道的最佳方式，這可能已被證明是大壩建設(shè)中最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計方面之一，需要昂貴的物理模型、冗長的分析和大量受過教育的人猜測。

幸運的是，近幾十年來，由于計算流體動力學(xué) (CFD) 軟件的發(fā)展，水力設(shè)計變得更加容易。對于大壩設(shè)計師和任何需要了解水和其他流體的行為方式以及如何有效利用其巨大能量的人來說，CFD 現(xiàn)在是必不可少的工具。

橫跨圣約翰河

Mactaquac 發(fā)電站在加拿大重要水壩名單中名列前茅。這座堤壩位于麥克塔夸克河和圣約翰河的交匯處，位于新不倫瑞克省首府弗雷德里克頓上游 12 英里處。它的六臺渦輪機(jī)產(chǎn)生 660 兆瓦的電力，使其成為加拿大海洋省份最大的水力發(fā)電設(shè)施。據(jù)其運營商 NB Power 稱，這座 55 米高、518 米長的建筑為全省約 12% 的家庭和企業(yè)供電。

Mactaquac 大壩于 1968 年竣工，計劃使用 100 年。但與任何大型基礎(chǔ)設(shè)施項目一樣，有時會出現(xiàn)意料之外的問題，其中一些問題可能在打好基礎(chǔ)后數(shù)年甚至數(shù)十年都不會出現(xiàn)。Mactaquac 大壩就是這種情況，一種被稱為堿骨料反應(yīng) (AAR) 的不利化學(xué)現(xiàn)象導(dǎo)致混凝土膨脹和開裂，從而導(dǎo)致每年的維護(hù)和維修費用顯著增加。

當(dāng)然，CFD 分析既不會預(yù)測也不會阻止這個特定問題，但它可以幫助回答如何翻新結(jié)構(gòu)的問題。僅僅更換有缺陷的混凝土就足夠了嗎，還是需要進(jìn)行重大的重新設(shè)計？這就是 Jason Shaw 和他在 Hatch 的團(tuán)隊發(fā)揮作用的地方。

建立關(guān)系

Hatch Inc 的項目經(jīng)理和水利工程師 Shaw 和位于安大略省密西沙加的咨詢公司的其他 9,000 名專業(yè)人員在多個行業(yè)擁有豐富的經(jīng)驗，其中包括土木工程、采礦、石油和天然氣以及各種基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計和開發(fā)，包括發(fā)電設(shè)施。

他們還與 NB Power 建立了長期合作關(guān)系。“2004 年，Hatch 收購了 Acres International，這是一家在大壩和水電方面擁有專業(yè)知識的工程咨詢公司，”Shaw 說?！八麄兪?Mactaquac 的原始設(shè)計師，后來成為我們能源集團(tuán)的一部分。因此，我們與 NB Power 有著長期的合作關(guān)系，我們將繼續(xù)為他們工作，不僅是延長 Mactaquac 的壽命，還包括其他設(shè)施。”

Shaw 解釋說，堿骨料反應(yīng)很難控制。在 Mactaquac 大壩的案例中，當(dāng)?shù)亻_采的灰泥（一種用于制造混凝土的砂巖）中含有大量二氧化硅，導(dǎo)致其與水泥中的堿性石灰石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。結(jié)果是一種粘性凝膠，在存在水的情況下，隨著時間的推移會膨脹，導(dǎo)致剝落、開裂和鋼筋暴露。

為避免這種情況，NB Power 委托 Hatch 研究該問題并提供有關(guān)如何前進(jìn)的選項。自 1980 年代發(fā)現(xiàn) AAR 問題以來，Hatch 團(tuán)隊已在整個結(jié)構(gòu)中安裝傳感器，以監(jiān)測結(jié)構(gòu)運動和混凝土性能。他們繼續(xù)分析正在進(jìn)行的堿-骨料反應(yīng)，以了解混凝土如何惡化以及如何延長項目的壽命。NB Power 和 Hatch 甚至率先使用金剛石線鋸在大壩中切割小而重要的空間和間隙，以減輕內(nèi)部應(yīng)力并控制變形。

拯救溢洪道

在項目過程中，NB Power 確定他們的最佳選擇是通過修復(fù)和改善受損部分來翻新大壩。該計劃的主要部分包括水力分析以確定最佳方法。這有助于回答有關(guān)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的運行條件是否可能加速溢洪道侵蝕以及是否可以進(jìn)行任何修改以降低這種風(fēng)險的問題。大部分分析是基于 Hatch 廣泛使用 CFD 軟件來確定溢洪道結(jié)構(gòu)的哪些部分需要更換以及哪些設(shè)計可以提供最佳結(jié)果。

該軟件來自新墨西哥州圣達(dá)菲市的 Flow Science Inc.，它是FLOW-3D?HYDRO的開發(fā)商?！拔覀兣c Flow Science 的合作關(guān)系已接近 30 年，”Shaw 說?！笆聦嵣?，我想說我們可能是早期采用者之一，盡管現(xiàn)在業(yè)內(nèi)幾乎每個人都在使用它，而且在這樣的項目中使用 CFD 遠(yuǎn)非新奇。”

在 CFD 之前，唯一的選擇是使用縮放的物理模型進(jìn)行分析。Shaw 指出，這不僅耗時，而且如果需要多次迭代，可能會導(dǎo)致進(jìn)度延遲并增加項目開發(fā)成本。與物理模型縮放相關(guān)的其他因素也可能導(dǎo)致有問題的結(jié)論。另一方面，CFD 允許工程師根據(jù)需要進(jìn)行大規(guī)模迭代?？梢暂p松測試各種場景、應(yīng)用解決方案并快速確定最佳設(shè)計。物理模型仍在使用，但作為驗證而非實驗的手段。

“差價合約填補(bǔ)了一個關(guān)鍵的空白，”Shaw 說?！八试S設(shè)計師檢查一系列不同的場景，否則這些場景的復(fù)制成本會非常高。這使您可以對設(shè)計進(jìn)行微調(diào)，并在準(zhǔn)備好后將其與物理模型進(jìn)行核對——如果他們同意，它就會消除任何問號?！?/p>

向下游移動

Mactaquac 項目的情況正是如此，該項目的第一階段是根據(jù)該場地過去物理建模研究的測量結(jié)果來驗證 CFD 模型。研究的這一關(guān)鍵階段使工程師能夠量化不確定性并建立對 CFD 模擬結(jié)果的信心。Shaw 和他的團(tuán)隊能夠?qū)⑦@些物理模型結(jié)果與新創(chuàng)建的大壩及其周邊區(qū)域的 3D CFD 模型進(jìn)行比較。他們很快發(fā)現(xiàn)兩者之間存在合理的相關(guān)性，從而使他們高度確信自己走在正確的軌道上，并且他們的 CFD 分析是正確的。

3D 模型與其校準(zhǔn)和驗證一樣好。如果你不能提供這些，那么無論采用何種方法，你都不知道自己的立場。然而，盡管需要這一關(guān)鍵步驟，但如果您愿意，CFD 是分析系列的必要組成部分。它代表了一種分析復(fù)雜問題的更精確和更準(zhǔn)確的方法。這些研究已成為決定大壩未來修復(fù)的基礎(chǔ)。

在成功驗證 CFD 模型后，下一階段的研究使用了FLOW-3D?HYDRO評估惡化溢洪道的現(xiàn)狀。工程師比較了對水深、跳躍遏制、與能量耗散相關(guān)的擋板上的速度和壓力的估計，以及混凝土結(jié)構(gòu)以及每個結(jié)構(gòu)下游的尾水區(qū)域的侵蝕和空化潛力。CFD 模擬說明了每個變量的水力性能，使團(tuán)隊能夠準(zhǔn)確評估三個建議的翻新方案。最終，CFD 模型結(jié)果導(dǎo)致設(shè)計團(tuán)隊建議恢復(fù)原始溢洪道尺寸，添加兩個新?lián)醢澹⑿薷囊绾榈蓝肆?。CFD 結(jié)果還引起了人們對空化可能在混凝土侵蝕中發(fā)揮作用的擔(dān)憂，這導(dǎo)致了對改進(jìn)擋板設(shè)計的進(jìn)一步建議。

在 Mactaquac 發(fā)電站恢復(fù)之前，還有大量工作要做。FLOW-3D HYDRO使 Hatch 能夠確定前進(jìn)的最佳方法，為他們規(guī)劃和設(shè)計未來的改進(jìn)和翻新奠定堅實的基礎(chǔ)。它使他們能夠以最有效和最具成本效益的方式確定提高水力性能和降低未來侵蝕風(fēng)險的最有效方法。

“這里的目的是使用 CFD 分析推進(jìn)項目開發(fā)，并繼續(xù)磨礪鉛筆，”Shaw 說?！拔曳浅Ｓ行判模覀儗@得設(shè)計解決方案，以確保 Mactaquac 的液壓溢出性能，這將滿足確保安全設(shè)計的目標(biāo)。”

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