FLOW-3D HYDRO 计算流体动力学 (CFD) 软件回答了有关新不伦瑞克历史悠久的 Mactaquac 大坝未来的重要问题。
本材料由Hatch Ltd.水利工程学科主任 Jason Shaw 提供。
修建小溪和河流来发电并不是什么新鲜事。从阿普尔顿开始，威斯康星州于 1882 年在福克斯河上建造了火神街工厂——世界上第一座水力发电厂——大坝现在占全球所有可再生能源的70% 以上。
从华盛顿州的 Grand Coulee 和 Chief Joseph 大坝到不列颠哥伦比亚省的 Mica 和 WAC Bennett 大坝，美国和加拿大拥有近 3,000 个水电站，为超过5000 万户家庭供电，并产生了大约 80% 的可再生能源消耗北美。
长期以来，设计这些巨大的物体一直是最苛刻的工程活动之一。首先，浇筑数百万吨混凝土会带来结构性问题，其次是需要管理数兆瓦的电力。但它正在确定使水流过、越过和绕过大坝和溢洪道的最佳方式，这可能已被证明是大坝建设中最具挑战性的设计方面之一，需要昂贵的物理模型、冗长的分析和大量受过教育的人猜测。
幸运的是，近几十年来，由于计算流体动力学 (CFD) 软件的发展，水力设计变得更加容易。对于大坝设计师和任何需要了解水和其他流体的行为方式以及如何有效利用其巨大能量的人来说，CFD 现在是必不可少的工具。
横跨圣约翰河
Mactaquac 发电站在加拿大重要水坝名单中名列前茅。这座堤坝位于麦克塔夸克河和圣约翰河的交汇处，位于新不伦瑞克省首府弗雷德里克顿上游 12 英里处。它的六台涡轮机产生 660 兆瓦的电力，使其成为加拿大海洋省份最大的水力发电设施。据其运营商 NB Power 称，这座 55 米高、518 米长的建筑为全省约 12% 的家庭和企业供电。
Mactaquac 大坝于 1968 年竣工，计划使用 100 年。但与任何大型基础设施项目一样，有时会出现意料之外的问题，其中一些问题可能在打好基础后数年甚至数十年都不会出现。Mactaquac 大坝就是这种情况，一种被称为碱骨料反应 (AAR) 的不利化学现象导致混凝土膨胀和开裂，从而导致每年的维护和维修费用显着增加。
当然，CFD 分析既不会预测也不会阻止这个特定问题，但它可以帮助回答如何翻新结构的问题。仅仅更换有缺陷的混凝土就足够了吗，还是需要进行重大的重新设计？这就是 Jason Shaw 和他在 Hatch 的团队发挥作用的地方。
建立关系
Hatch Inc. 的项目经理和水利工程师 Shaw 和位于安大略省密西沙加的咨询公司的其他 9,000 名专业人员在多个行业拥有丰富的经验，其中包括土木工程、采矿、石油和天然气以及各种基础设施设计和开发，包括发电设施。
他们还与 NB Power 建立了长期合作关系。“2004 年，Hatch 收购了 Acres International，这是一家在大坝和水电方面拥有专业知识的工程咨询公司，”Shaw 说。“他们是 Mactaquac 的原始设计师，后来成为我们能源集团的一部分。因此，我们与 NB Power 有着长期的合作关系，我们将继续为他们工作，不仅是延长 Mactaquac 的寿命，还包括其他设施。”
Shaw 解释说，碱骨料反应很难控制。在 Mactaquac 大坝的案例中，当地开采的灰泥（一种用于制造混凝土的砂岩）中含有大量二氧化硅，导致其与水泥中的碱性石灰石发生化学反应。结果是一种粘性凝胶，在存在水的情况下，随着时间的推移会膨胀，导致剥落、开裂和钢筋暴露。
“一个值得关注的领域是溢洪道，那里的挡板和端梁已经明显恶化，”Shaw 说。“但实际上，大坝的一切都处于危险之中。例如，由于混凝土在闸门导轨上挤压，因此您会到达溢洪道闸门有粘结风险的地步。在发电站中，它正在推动固定发电机组的混凝土，导致它们移动位置并变得“不圆”。后果是渐进的，但扭曲是不可避免的，因此需要进行复杂的结构性补救。”
为避免这种情况，NB Power 委托 Hatch 研究该问题并提供有关如何前进的选项。自 1980 年代发现 AAR 问题以来，Hatch 团队已在整个结构中安装传感器，以监测结构运动和混凝土性能。他们继续分析正在进行的碱-骨料反应，以了解混凝土如何恶化以及如何延长项目的寿命。NB Power 和 Hatch 甚至率先使用金刚石线锯在大坝中切割小而重要的空间和间隙，以减轻内部应力并控制变形。
拯救溢洪道
在项目过程中，NB Power 确定他们的最佳选择是通过修复和改善受损部分来翻新大坝。该计划的主要部分包括水力分析以确定最佳方法。这有助于回答有关现有结构的运行条件是否可能加速溢洪道侵蚀以及是否可以进行任何修改以降低这种风险的问题。大部分分析是基于 Hatch 广泛使用 CFD 软件来确定溢洪道结构的哪些部分需要更换以及哪些设计可以提供最佳结果。
该软件来自新墨西哥州圣达菲市的 Flow Science Inc.，它是FLOW-3D HYDRO的开发商。“我们与 Flow Science 的合作关系已接近 30 年，”Shaw 说。“事实上，我想说我们可能是早期采用者之一，尽管现在业内几乎每个人都在使用它，而且在这样的项目中使用 CFD 远非新奇。”
在 CFD 之前，唯一的选择是使用缩放的物理模型进行分析。Shaw 指出，这不仅耗时，而且如果需要多次迭代，可能会导致进度延迟并增加项目开发成本。与物理模型缩放相关的其他因素也可能导致有问题的结论。另一方面，CFD 允许工程师根据需要进行大规模迭代。可以轻松测试各种场景、应用解决方案并快速确定最佳设计。物理模型仍在使用，但作为验证而非实验的手段。
“差价合约填补了一个关键的空白，”Shaw 说。“它允许设计师检查一系列不同的场景，否则这些场景的复制成本会非常高。这使您可以对设计进行微调，并在准备好后将其与物理模型进行核对——如果他们同意，它就会消除任何问号。”
向下游移动
Mactaquac 项目的情况正是如此，该项目的第一阶段是根据该场地过去物理建模研究的测量结果来验证 CFD 模型。研究的这一关键阶段使工程师能够量化不确定性并建立对 CFD 模拟结果的信心。Shaw 和他的团队能够将这些物理模型结果与新创建的大坝及其周边区域的 3D CFD 模型进行比较。他们很快发现两者之间存在合理的相关性，从而使他们高度确信自己走在正确的轨道上，并且他们的 CFD 分析是正确的。
3D 模型与其校准和验证一样好。如果你不能提供这些，那么无论采用何种方法，你都不知道自己的立场。然而，尽管需要这一关键步骤，但如果您愿意，CFD 是分析系列的必要组成部分。它代表了一种分析复杂问题的更精确和更准确的方法。这些研究已成为决定大坝未来修复的基础。
在成功验证 CFD 模型后，下一阶段的研究使用了FLOW-3D HYDRO评估恶化溢洪道的现状。工程师比较了对水深、跳跃遏制、与能量耗散相关的挡板上的速度和压力的估计，以及混凝土结构以及每个结构下游的尾水区域的侵蚀和空化潜力。CFD 模拟说明了每个变量的水力性能，使团队能够准确评估三个建议的翻新方案。最终，CFD 模型结果导致设计团队建议恢复原始溢洪道尺寸，添加两个新挡板，并修改溢洪道端梁。CFD 结果还引起了人们对空化可能在混凝土侵蚀中发挥作用的担忧，这导致了对改进挡板设计的进一步建议。
在 Mactaquac 发电站恢复之前，还有大量工作要做。FLOW-3D HYDRO使 Hatch 能够确定前进的最佳方法，为他们规划和设计未来的改进和翻新奠定坚实的基础。它使他们能够以最有效和最具成本效益的方式确定提高水力性能和降低未来侵蚀风险的最有效方法。
“这里的目的是使用 CFD 分析推进项目开发，并继续磨砺铅笔，”Shaw 说。“我非常有信心，我们将获得设计解决方案，以确保 Mactaquac 的液压溢出性能，这将满足确保安全设计的目标。”