1. بررسی موضوع به صورت کانال باز 

برای کارکرد بهینه توربین‌های کاپلان (و سایر توربین‌های عکس‌العملی) که بصورت غرقابی کار می‌کنند بایستی رانر به صورت کامل درون آب قرار داشته باشد و بخشی از توان هیدرولیکی سیال با تبدیل فشار سیال به سرعت ایجاد گردد. ولی در شرایطی که به هر دلیل امکان ایجاد این فشار قبل از رانر میسر نباشد با قرار دادن رانر در معرض سرعت متوسط سیال می‌توان با راندمان پایین‌تری انرژی سیال را به انرژی الکتریکی تبدیل نمود. برای موضوع مورد مطالعه در یک مرحله توان هیدرولیکی آب با دبی ماکزیمم (حدود ۲۰ مترمکعب) که انتظار می‌رود حدود ۷۰% ارتفاع تونل را پر نماید بررسی می‌شود و در مرحله بعد مقدار متوسط دبی ۷ متر مکعب بر ثانیه و ارتفاع متوسط پر شدگی ۳۵ درصدی قطر تونل در نظر گرفته شده است.

در این قسمت سعی شده است با کمک روابط مربوط به کانال‌های روباز که در کتاب‌های مرجع دینامیک سیالات معتبر آکادمیک ارائه شده است، میزان شعاع هیدرولیکی، عدد رینولدز جریان، سرعت متوسط جریان و در آخر میزان انرژی تقریبی تئوری موجود در جریان آب محاسبه گردد. لازم به ذکر است که محاسبات انجام شده بر مبنای در نظر گرفتن داده های ارائه شده می باشد.

با توجه به شکل کانال که سطح مقطع دایره ای با قطر ۳.۹ متر می باشد، روابط ارائه شده در شکل زیر نشان داده شده است.

با توجه به روابط بالا و داده‌های ارائه شده می‌توان مساحت سطح مقطع جریان و سرعت متوسط جریان را محاسبه نمود. اگرچه برای تعیین میزان ارتفاع دقیق سیال درون کانال در فاز‌های بعدی می‌توان با استفاده از نرم‌افزارهای معتبر شبیه‌سازی‌های دقیقی انجام داد.

به این ترتیب انرژی سیال از رابطه زیر قابل محاسبه می‌باشد. (رابطه زیر برای انرژی در واحد جرم ارائه شده است).

در این رابطه  y اختلاف ارتفاع آب می‌باشد و همانطور که پیش‌تر گفته شد تاثیر فشار بر سرعت سیال می‌باشد که در این حالت (رو باز بودن کانال) تاثیری در انرژی جنبشی سیال ندارد.

بنابراین کانال رو بازی داریم که بصورت تئوریک سیال با شرایط توسعه یافتگی توان هیدرولیکی معادل ۱۲ کیلووات انرژی در حالت دبی جریانی ۷ متر مکعب و حدود ۵۰ کیلووات در حالت دبی جریانی ۲۰ متر مکعب را خواهد داشت.

 باید توجه شود که این مقدار انرژی در صورتی قابل استحصال است که سیال به صورت کاملا توسعه یافته در کانال جریان داشته باشد از این رو در صورت استفاده از توربین برای تبدیل این انرژی نیاز است تا به سیال زمان داده شود تا بعد از گذر از اولین توربین، دوباره به صورت توسعه یافته ادامه پیدا کند. به این منظور نیاز است تا طول توسعه یافتگی برای این سیال محاسبه گردد.

تعیین طول توسعه یافتگی برای جریان آشفته در یک کانال با توجه به منابع اشاره شده از فرمول زیر محاسبه می‌گردد.

عدد رینولدز جریان حدود ۴.۴ میلیون می باشد که معرف جریان کاملا متلاطم در کانال می باشد. در جدول بالا این طول توسعه یافتگی برای هردو حالت محاسبه شده است. مطابق نتایج ارائه شده میانگین طول مورد نیاز برای توسعه یافتگی کامل جریان در این تونل با قرار دادن مانع در سر راه جریان (توربین) بیشتر از ۵۵ متر می‌باشد. (با توجه به اینکه در فاز صفر مطالعه می‌باشیم مواردی مانند تاثیر زبری سطوح، چرخش رانر،ابعاد واقعی رانر ،شکل دیواره ها و…که میتواند نتایج فوق را تحت تاثر قرار دهد در نظر گرفته نشده است.)

نتیجه گیری بررسی گزینه اول:

• برای حالت دبی جریانی ۲۰ مترمکعب میتواند به شرح زیر باشد:

میتوان انتظار داشت بصورت ایده‌آل در هر ۵۵ متر از کانال توان هیدرولیکی حدود ۵۰ کیلووات در دسترس باشد. لذا در مجموع ۵۲ کیلومتر کانال، حدود ۴۶ مگاوات بصورت ایده‌آل توان هیدرولیکی در دسترس خواهیم داشت.

• برای حالت دبی جریانی ۷ مترمکعب میتواند به شرح زیر باشد:

میتوان انتظار داشت بصورت ایده آل در هر ۵۵ متر از کانال توان هیدرولیکی حدود ۱۲ کیلووات در دسترس باشد. لذا در مجموع ۵۲ کیلومتر کانال، حدود ۱۱ مگاوات بصورت ایدهآل توان هیدرولیکی در دسترس خواهیم داشت.

البته در واقعیت با توجه به راندمان توربین های مورد استفاده در کانال‌های رو باز (حدود ۵۰ درصد میتوان انتظار داشت) توان الکتریکی تولیدی در دسترس در حالت ایده‌آل نصف مقادیر فوق خواهد بود. از سوی دیگر موارد نظیر ملاحظات اجرا از نظر فضای‌های مورد نیاز عبور تاسیسات برق از کانال و هزینه‌های مرتبط با این مقوله و بهره‌برداری و نگهداری این تعداد از تجهیزات با توجه به دسترسی‌های مورد نیاز محدودیت‌هایی خواهد داشت که نیاز به بررسی‌های دقیق‌تری جهت برآوردهای فنی –مالی مربوطه خواهد داشت.

در زیر نمونه ای شماتیک اجرای پروژه در این حالت که توسط نرم‌افزار های عددی مرتبط با تحلیل جریان های هیدرولیکی انجام شده است ارائه می گردد.

2. بررسی موضوع بر اساس امکان پر شدن حجم تونل (نظیر لوله)

بر اساس منحنی‌های پیشنهادی انتخاب توربین های آبی مناسب با شرایط آبی که نمونه آن در زیر آمده است و شرح کامل آن در وب سایت‌های خارجی و داخلی (نظیر وب سایت www.arvinsanatgostar.com ( آمده است.

 در شرایطی که منابع آبی مورد مطالعه دارای هد کم برای تولید انرژی باشند انتخاب واحدها از نوع کاپلان و کراس فلو خواهد بود. این واحدها همانگونه که از روی نمودار مشخص است میتوانند بر اساس فرمول توان هدرولیکی  و متناسب با راندمان‌های در دسترس (که بالای ۸۰ درصد می‌باشند) توان‌های الکتریکی متناسبی تولید نمایند.

بر این اساس و با توجه به مسیر در نظر گرفته شده برای اجرای تونل، ۳ ایستگاه در میانه مسیر خواهیم داشت. طول تقریبی بین ایستگاه های سپیدارک، ورده و امیرکبیر به صورت تقریبی برابر با ۱۶ تا ۲۰ کیلومتر خواهد بود. با توجه به این شرایط می توان انتظار سه مقطع جریانی در این تونل با توان هیدرولیکی به شرح جدول زیر داشته باشیم:

• در حالتی که میزان دبی گذری از تونل برابر با ۲۰ متر مکعب بر ثانیه باشد.
• 

• در حالتی که میزان دبی گذری از تونل برابر با ۷ متر مکعب بر ثانیه باشد.
• 

بر این اساس حداکثر توان هیدرولیکی آّب در کل مسیر در این روش برای زمانهایی که دبی ۲۰ مترمکعب در تونل جریان دارد ۱۰ مگاوات بوده (و بر این اساس حداکثر ظرفیت نصب واحدهای مورد نیاز مشخص میشود) و برای حداقل دبی نیز قابل محاسبه خواهد بود. اگرچه با توجه به بازه زمانی دبی های در دسترس بایستی ظرفیت بهینه نصیب واحدها برای رسیدن به اقتصادی ترین انتخاب تعیین شود ولی در مطالعه اولیه از آنجا که دبی میانگین عبوری اعلام شده سالیانه ( ۷ مترمکعب بر ثانیه) می باشد (با واحدهای توربینی راندمان بالا حدود ۸۰ درصد) انتظار تولید حدود ۲۰ گیگاوات ساعت انرژی الکتریکی در سال را با این روش خواهیم داشت.