金沙水電站魚道水力特性數(shù)值模擬

黎賢訪

(長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430010)

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，工程任務(wù)以發(fā)電為主，兼有供水、改善城市水域景觀及對(duì)下游水電站的反調(diào)節(jié)作用等。攔河筑壩勢(shì)必阻斷魚類在金沙江的洄游通道，造成魚類生存環(huán)境破碎，需在樞紐中布置魚道等過魚設(shè)施。

魚道利用魚類喜迎逆流的生物學(xué)特性，使用多級(jí)隔板阻流在通道形成適宜的流速區(qū)，以誘導(dǎo)魚類上溯。魚道過魚的水流條件涉及水深、寬度、流速、流態(tài)、泥沙含量、水質(zhì)等諸多因素，其中水力特性以考察流速分布和流場(chǎng)形態(tài)為主。20世紀(jì)80年代，Rajaratnam等［1-2］通過試驗(yàn)研究了豎縫式魚道水池長寬比、水池底坡坡度與水流流態(tài)的關(guān)系。法國的Larinier等［3］提出了魚道水池單位體積消能率的概念，以表征魚道中水流的紊動(dòng)強(qiáng)度。目前，國內(nèi)外學(xué)者基于CFD數(shù)學(xué)模型針對(duì)魚道水力特性的研究逐漸豐富［4-5］，為合理布置魚道提供了有益的啟示。

結(jié)合國內(nèi)外魚道水力學(xué)研究成果［6-8］，以金沙水電站魚道初步設(shè)計(jì)型式為原型建立CFD數(shù)學(xué)模型［9］，模擬魚道水流的流場(chǎng)形態(tài)及流速分布，分析魚道布置型式的合理性。

1 過魚對(duì)象

根據(jù)文獻(xiàn)資料，金沙江中游干支流分布有魚類149種，特有魚類52種。金沙水電站主要過魚對(duì)象有胭脂魚、圓口銅魚、長薄鰍、長鰭吻鮈、巖原鯉、鱸鯉、四川白甲魚等。針對(duì)上述魚類的游泳能力進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

魚道的設(shè)計(jì)流速主要根據(jù)主要過魚對(duì)象的克流能力而定，金沙江中下游主要魚類的初步克流能力試驗(yàn)成果表明，魚類上溯的臨界流速約1.5 m/s。參考上述試驗(yàn)結(jié)果，金沙水電站魚道的設(shè)計(jì)流速取1.1 m/s。

2 過魚池型式

根據(jù)樞紐的調(diào)度方案，設(shè)計(jì)魚道運(yùn)行水深在1.5～3.0 m之間。魚道斷面為矩形，為兼顧表層、中層和底層魚類上溯，采用同側(cè)豎縫式隔板;過魚池底板為斜坡，坡比 i=1∶58;魚道凈寬B取3.0 m。魚道隔板等間距分布;魚道池室長度(亦即隔板間距)按l=(1.2～1.5)B計(jì)算，取3.6 m;豎縫導(dǎo)向角為45°。初步設(shè)計(jì)得出的魚道隔板型式及尺寸如圖1所示。

表1 臨界速度測(cè)試樣本及測(cè)試結(jié)果

圖1 隔板型式及尺寸(單位:mm)

垂直豎縫式魚道的流量按式(1)作近似計(jì)算［4］。計(jì)算得出，魚道的流量在0.430～0.993m3/s之間。

式中，Q為魚道流量，m3/s;μ為 垂直豎縫的流量系數(shù)，取值范圍0.65～0.85;b為豎縫寬度，m;H1為豎縫上游的池室水深，m。

魚道水流的湍流強(qiáng)度過大，對(duì)魚類的上溯游動(dòng)產(chǎn)生不利影響。為確保水池中的低湍流度流動(dòng)，水池的大小滿足容積功率耗散E＜150 W/m2。魚道池室的容積功率耗散的計(jì)算公式［4］為

式中，E為容積功率耗散，W/m2;ρ為水的密度，kg/m3;B為過魚池寬度，m;hm為水池中的平均水深，m;lb為過魚池長度，m;d為隔板厚度，m。按式(2)計(jì)算得出魚道池室的容積功率耗散約為21.76W/m2，紊動(dòng)不劇烈，適合魚類上溯。

3 CFD數(shù)值模擬

3.1 數(shù)學(xué)模型

3.1.1 控制方程組

基于RNG k-ε湍流方程［5］建立魚道連續(xù)池室的數(shù)學(xué)模型，控制方程組如下:

動(dòng)量方程:

式中，ui、uj為流體微元的速度分量;P為流體的壓強(qiáng);ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏度;k為紊動(dòng)動(dòng)能;ε為紊動(dòng)耗散率;μeff為等效紊動(dòng)粘度;Gk為平均速度梯度引起紊動(dòng)動(dòng)能k的源項(xiàng);Gb為浮力引起紊動(dòng)動(dòng)能k的源項(xiàng);YM為可壓縮紊流中脈動(dòng)擴(kuò)張對(duì)整體紊動(dòng)耗散率的貢獻(xiàn);C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);σk、σε分別表示與k、ε對(duì)應(yīng)的prandtl數(shù);Sk、Sε為自定義源項(xiàng);Rε為增項(xiàng)。

3.1.2 計(jì)算網(wǎng)格、邊界條件及數(shù)值方法

方程的離散采用四面體網(wǎng)格的有限體積法，并在豎縫周邊區(qū)域進(jìn)行局部加密處理，如圖2所示。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

模型上游、下游邊界分別采用魚道設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)水深;過魚池上部出口的運(yùn)動(dòng)流體為空氣，采用恒定壓力邊界條件p=0;池室邊壁采用無滑移壁面條件。過魚池自由水面模擬使用VOF法［8］。壓力計(jì)算采用PRESTO格式插值，動(dòng)量、體積分?jǐn)?shù)等均采用一階迎風(fēng)格式插值，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法。模型數(shù)值計(jì)算的時(shí)間步長取0.1 s，計(jì)算歷時(shí)延長至流量、水位計(jì)算結(jié)果基本恒定。

3.2 結(jié)果分析

取魚道最大設(shè)計(jì)水深Hmax=3.0 m和最小設(shè)計(jì)水深Hmin=1.5 m兩組工況開展數(shù)值模擬。對(duì)計(jì)算結(jié)果截取平行于魚道底面的斜截面作分析，斜截面相對(duì)池底的高度與設(shè)計(jì)水深之比h/H分別為0.2、0.5、0.8。斜截面流速等值線如圖3所示。

根據(jù)模擬結(jié)果，過魚池水流呈現(xiàn)如下特征:①相鄰過魚池的流速分布相似，豎縫泄流沿疏縫導(dǎo)向前進(jìn)，兩側(cè)形成比較明顯的回流區(qū);②相鄰豎縫泄流的主流區(qū)域首尾相連，形成了明顯“S”形的主流速區(qū);③上、中、下層截面的流速分布形態(tài)基本相同;④池室水深1.5 m相對(duì)池室水深3.0 m，流速分布形態(tài)相似，豎縫流速較大。

沿豎縫垂向中心線的流速分布見圖4，可知，流速大小隨水深增加逐漸增大;H=1.5 m時(shí)，豎縫流速為0.81～1.40 m/s;H=3.0 m時(shí)，豎縫流速為0.73 ～1.08 m/s。

計(jì)算結(jié)果表明:①豎縫流速未超過1.5 m/s，魚類可以克流上溯;②豎縫流速呈“表層小，底層大”的漸增型分布，適合不同游泳能力的魚類分層通過;③豎縫間水流形成連貫的主流區(qū)，可以誘導(dǎo)魚類連續(xù)上溯;④水深較小時(shí)，豎縫流速相對(duì)較大，不利于游泳能力較弱的魚類上溯。

圖3 流速等值線

4 結(jié)論

基于金沙水電站水情及魚類資料，對(duì)金沙水電站魚道開展了水力學(xué)設(shè)計(jì)，并建立CFD數(shù)學(xué)模型對(duì)魚道水流作數(shù)值模擬和分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，魚道豎縫的最大流速低于魚類的極限流速，過魚池段形成了適宜不同游泳能力的魚類上溯的連貫通道。研究表明，金沙水電站魚道的初步設(shè)計(jì)型式和尺寸較合理，滿足魚類上溯的水力學(xué)要求;魚道在幼魚上溯期間，宜增大池室的水深。

圖4 沿豎縫垂向中心線流速分布

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