樞紐魚道建筑物數值模擬試驗研究

2016-12-24 05:42:21鐘泳成湖南省水利水電勘測設計研究總院長沙市410007

湖南水利水電 2016年4期

關鍵詞：設計

李程鐘泳成（湖南省水利水電勘測設計研究總院長沙市 410007）

樞紐魚道建筑物數值模擬試驗研究

李程鐘泳成
（湖南省水利水電勘測設計研究總院長沙市 410007）

魚道能夠幫助恢復魚類和其它水生生物物種在河流中自由洄游，能夠減緩大壩阻隔的影響。魚道的設計可以使用數學模擬的方法進行研究，基于仿真軟件ANSYS強大的計算功能和前后處理能力，基于ANSYS軟件FLUENT模塊綜合三維紊流數學模型，對長沙魚道推薦方案魚道池室進行計算，魚道最大流量為1.21 m3/s，滿足魚類洄游條件；進魚口流速大于0.2 m/s，達到魚類的感應流速，集魚渠內流向明確，穩定，無倒流，滿足設計要求。

魚道數值模擬 E型隔板流態研究

1 研究背景

我國是水資源大國，河流眾多，為了防洪、發電、供水和通航等需要在江、河中進行的筑壩，修建的堰、壩會改變上、下游水文條件，使河流生態環境連續性中斷，阻斷魚類自由遷徙，對需要進行大范圍遷移的洄游性或半洄游性魚類會產生毀滅性的災難，對魚類自然種群產生深遠的負面效應，國內外保護措施主要有：人工增殖放流、水庫生態調度、建立魚類保護區以及修建過魚設施，國內以修建過魚設施和開展人工增殖放流最為常見，其中魚道是最常見的過魚設施。

魚道對于減緩大壩的阻隔影響，幫助恢復魚類和其它水生生物物種在河流中自由洄游具有重要的意義。魚道工程措施的有效運行是保持河流縱向連通性的重要技術手段之一。以長沙綜合樞紐魚道工程設計為例，通過對水生態環境進行調查、比選魚道型式、計算水力學參數，使用數值模擬試驗驗證，主要研究內容有：（1）魚道進水口水流流態和流速的分布優化；（2）魚道內部流量、流速、水深和流態的有效控制。在充分認識、了解魚道研究和建設發展歷程的基礎上，通過數值模擬的方法優化魚道的設計，改進保護方法與措施，提高魚道設計水平，大幅加強過魚有效性，以期發揮魚道的最大效益。對于保護河流生態、促進水利可持續發展具有重要意義。

2 流體力學的計算原理

考慮水流為不可壓縮流體，采用雙方程紊流模型，控制方程為：

連續方程：

式中 t——時間；

ui——速度分量;

xi——坐標分量；

v——運動粘性系數；

P——修正壓力；

τij——應力張量，定義

pgi——重力體積力；

μt=pvt=pcuk2/ε——紊動動力粘性系數；

εij——Kronecker delta符號；

經驗常數 cu=0.09，σk=1.0，σε=1.33，C1ε=1.44，C2ε=1.42；

Gk——平均速度梯度引起的紊動能產生項，

自由表面采用VOF（The Volume of Fluid）方法，在空間上定義函數F，全含水為1，不含水為0，當為自由表面時，0＜F＜1；函數F是空間和時間的函數，即F=F（x，y，z，t），固結在流體質點上并隨流體一起運動的沒有質量和粘性的染色點的運動，輸運方程為：

將上式寫成如下的通用形式：

式中 t——時間；

uj——速度矢量；

φ——通用變量，如速度、紊動能等；

Гφ——變量φ的擴散系數；

Sφ——方程的源項。

計算時，首先在任意控制體積CV（其邊界為A）作體積分，利用高斯定理將體積分化成面積分。記F（φ）=pφu-Γφgradφ，可得到有限體積法（FVM）的基本方程，寫成：

式中 F（φ）□n——法向數值通量。

對控制體積單元取平均后，可離散得到FVM基本方程的最終形式為：

式中 △V——單元體積；

M——單元面總數；

Aj——單元面j的面積；

上游進口和下游出口計算邊界分別采用自由面水位作為其邊界條件；壁面采用 Launder& Spalding的壁面函數條件，進出口的紊動能K和耗散率ε由下列經驗公式得出：

式中 L——紊流特征長度[3]。

3 工程應用與分析

3.1 工程概況

魚道的設計不僅可以使用物理模型進行試驗研究，同時也可以使用數學模擬的方法進行研究，對水力學局部模型E型隔板1∶69底坡試驗方案進行驗證，分析集魚、補水系統是否會產生回流，是否滿足設計要求。針對魚道力學計算需求，基于計算機的仿真軟件ANSYS強大的計算功能和前后處理能力，基于ANSYS軟件FLUENT模塊綜合采用三維紊流數學模型，對長沙魚道推薦方案（E型隔板＋1∶69底坡）的魚道池室三維水流條件進行計算。

3.2 模型構建

數學模型計算區域包括5塊隔板，魚道槽身計算長度總長27.0 m，由于隔板型式較為復雜，計算區域采用四面體進行網格劃分（圖1、圖2）。