豎縫位置對(duì)豎縫式魚道水力特性的影響

趙彬如,戴會(huì)超,戎貴文,袁 岳

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001)

豎縫位置對(duì)豎縫式魚道水力特性的影響

趙彬如1,戴會(huì)超1,戎貴文2,袁 岳1

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001)

為了分析豎縫位置對(duì)豎縫式魚道池室內(nèi)水力特性的影響,采用RNGk-ε湍流模型和速度-壓力耦合SIMPLE算法對(duì)不同工況的魚道進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明:豎縫位置對(duì)主流的形態(tài)、主流流速的衰減及豎縫處流速分布影響不大;豎縫位置改變了主流區(qū)在池室內(nèi)的位置,進(jìn)而影響回流區(qū)的分布、大小和流場(chǎng),豎縫位置距池室側(cè)壁為池室寬度的25%～35%時(shí),池室內(nèi)水流流態(tài)較合理,能夠顯著提高過魚效率。

豎縫式魚道;豎縫位置;水力特性;數(shù)值模擬

修建水庫大壩會(huì)切斷河流的水文循環(huán)和生態(tài)聯(lián)系,使得河流自然生態(tài)功能嚴(yán)重退化,這對(duì)需要洄游完成繁殖的魚類會(huì)產(chǎn)生巨大的危害[1]。魚道作為典型的過魚建筑物,對(duì)減緩大壩的阻隔影響、恢復(fù)魚類洄游路徑有重要作用,其中,豎縫式魚道因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過魚效率高、對(duì)上下游水位變動(dòng)的自適應(yīng)性強(qiáng)等技術(shù)特點(diǎn),在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。豎縫式魚道利用多級(jí)首尾相連、坡度較緩的池室連通上下游水體,上游來水通過豎縫流入下一級(jí)池室,水流流經(jīng)豎縫時(shí)形成射流,并在池室內(nèi)經(jīng)過擴(kuò)散、對(duì)沖作用進(jìn)行消能,為魚類上溯提供合適的水流條件。豎縫式魚道的過魚效率與池室內(nèi)的水流特性有著密切關(guān)系,而魚道的細(xì)部結(jié)構(gòu)對(duì)池室的水流特性有重要影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式豎縫式魚道的水流特性做了大量研究工作。Rajaratnam等[2-4]對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的豎縫式魚道開展了研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)池室長(zhǎng)寬比為1.25時(shí),魚道池室內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定,存在可供魚類休息的較大回流區(qū);Wu等[5]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)豎縫式魚道的坡度小于5%時(shí),速度場(chǎng)表現(xiàn)出水平二維特征,當(dāng)坡度為10%和20%時(shí),不同水深斷面的流態(tài)呈現(xiàn)差異,表現(xiàn)為三維特征;Thiem等[6-7]在研究豎縫式魚道的過魚能力時(shí),指出加拿大的Vianney-Legendre魚道是世界上為數(shù)不多的成功通過鱘魚的豎縫式魚道之一,并通過放魚試驗(yàn),對(duì)Vianney-Legendre魚道的過魚效率及通過時(shí)間進(jìn)行了原型觀測(cè);Marriner等[8-9]采用數(shù)值模擬與原型觀測(cè)相結(jié)合的方法研究了加拿大Vianney-Legendre豎縫式魚道的水力特性,得出魚道內(nèi)部180°轉(zhuǎn)彎段嚴(yán)重影響了魚道過魚效率的結(jié)論,并給出了相應(yīng)改進(jìn)措施,之后又對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的魚道進(jìn)行了數(shù)值模擬,表明魚道坡度是影響過魚效率的關(guān)鍵因素。國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究主要有:羅小鳳等[10]分析了豎縫式魚道導(dǎo)角大小及導(dǎo)板長(zhǎng)度對(duì)魚道內(nèi)流場(chǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)角越大,豎縫射流的衰減速度越快,主流軌跡的彎曲程度也越大,但導(dǎo)板長(zhǎng)度基本上對(duì)主流的擴(kuò)散及衰減沒有影響;邊永歡等[11-12]對(duì)豎縫式魚道90°、180°轉(zhuǎn)彎段水力特性進(jìn)行了計(jì)算研究,得出增設(shè)整流導(dǎo)板可改善轉(zhuǎn)彎段水力特性的結(jié)論;徐體兵等[13]研究了豎縫式魚道池室的墩頭長(zhǎng)度對(duì)水流流態(tài)的影響,結(jié)果表明隔板墩頭的設(shè)置對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響有限,基本可以忽略;張國(guó)強(qiáng)等[14]研究了豎縫寬度對(duì)豎縫式魚道水流結(jié)構(gòu)的影響,并給出了b/B(b為豎縫寬度,B為池室寬度)的合理取值范圍為0.15～0.20。

圖1 豎縫式魚道平面布置

已有研究主要關(guān)注魚道池室的長(zhǎng)寬比、導(dǎo)角大小、豎縫寬度及魚道坡度等對(duì)水流特性的影響,在豎縫式魚道水流特性的研究成果中,豎縫位置對(duì)魚道水力特性影響的報(bào)道很少。本文采用數(shù)值模擬方法系統(tǒng)研究豎縫位置對(duì)豎縫式魚道水力特性的影響,并探討豎縫位置距魚道側(cè)壁的合理取值范圍。

1 數(shù)學(xué)模型

已有研究表明,當(dāng)豎縫式魚道的坡度小于5%時(shí),其流態(tài)具有典型的二元特性[5, 13-15],本文研究的魚道坡度為2%,故采用Fluent軟件建立二維模型來模擬豎縫式魚道的水流特性。

1.1 控制方程

數(shù)值模擬采用能夠更好處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大流動(dòng)的RNGk-ε湍流模型,該模型控制方程的連續(xù)方程、動(dòng)量方程、k方程和ε方程分別為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

1.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

數(shù)學(xué)模型中布置了5級(jí)常規(guī)水池,如圖1所示,池室長(zhǎng)L=2.5 m,池室寬B=2 m,豎縫寬度b=0.3 m,豎縫長(zhǎng)度a=0.1 m,導(dǎo)角θ=45°,導(dǎo)板和隔板的寬度均為0.2 m,l為豎縫中心到池室右側(cè)側(cè)壁的距離,并用2l/B表示豎縫在池室中的橫向位置。

對(duì)魚道計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),在相對(duì)設(shè)置的隔板迎水面與導(dǎo)板背水面之間的部分(除豎縫部分外)采用三角形網(wǎng)格,網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.05 m,其余部分采用四邊形網(wǎng)格,其中池室內(nèi)部網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.05 m,豎縫部分網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.02 m。

魚道進(jìn)口斷面距第1池室2.2 m,出口斷面距第5池室2.2 m,進(jìn)出口邊界均為速度進(jìn)口,進(jìn)口斷面設(shè)定恒定入流速度為0.15 m/s,出口斷面設(shè)定恒定出流速度為0.15 m/s。魚道單元的壁面邊界法向采用不可入邊界條件,即其法向流速為零,切向采用壁面函數(shù)法來處理。

1.3 計(jì)算方法

采用控制體積法對(duì)偏微分方程組進(jìn)行離散,壓力項(xiàng)采用Body Force Weighted格式離散,動(dòng)量和湍流項(xiàng)采用QUICK格式離散;速度-壓力耦合計(jì)算采用SIMPLE算法;為防止迭代過程數(shù)值發(fā)散和不穩(wěn)定,對(duì)動(dòng)量方程、標(biāo)量輸運(yùn)方程采用了欠松弛技術(shù);迭代計(jì)算的殘差各項(xiàng)數(shù)值均為10-5以下;時(shí)間步長(zhǎng)取決于網(wǎng)格的空間尺寸及流速大小,本文采用0.01 s。

1.4 模型驗(yàn)證

采用文獻(xiàn)[16]的物理模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)本文建立的上述數(shù)學(xué)模型(以下簡(jiǎn)稱本文模型)進(jìn)行驗(yàn)證。為避免進(jìn)出口邊界條件對(duì)池室內(nèi)水流流態(tài)的影響,以第3池室作為研究對(duì)象,提取池室中間橫斷面上各節(jié)點(diǎn)的流速值,將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如圖2所示,可見本文模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好,說明本文模型能較好地模擬豎縫式魚道的水力特性,可用于研究不同位置布置相同豎縫時(shí)池室內(nèi)的水流流速、流態(tài)等水力特性。

圖2 魚道池室中間橫斷面上流速試驗(yàn)值與模型計(jì)算值

2 豎縫位置對(duì)池室內(nèi)水流流態(tài)的影響

2.1 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分區(qū)

豎縫式魚道的常規(guī)水池內(nèi)存在兩種水流流態(tài),分別為位于中間位置的主流區(qū)和位于兩側(cè)的回流區(qū)。水流經(jīng)豎縫以射流形式流入池室,射流斷面沿程擴(kuò)散,在接近下游豎縫時(shí)斷面收縮,故流速在縱向上先減小后增大,而橫向上流速?gòu)闹行南騼蓚?cè)逐漸減小,將射流區(qū)域稱為主流區(qū);位于主流區(qū)兩側(cè)的水流分別以相反方向緩慢流動(dòng),將這兩部分區(qū)域統(tǒng)稱為回流區(qū),如圖3所示。

圖3 魚道池室內(nèi)水流流場(chǎng)分布(單位:m/s)

豎縫位置對(duì)主流區(qū)的影響表現(xiàn)在主流區(qū)的位置上,主流區(qū)在橫向上的位置與豎縫位置相關(guān),基本處在豎縫位置附近。豎縫位置對(duì)回流區(qū)的影響表現(xiàn)在回流區(qū)的形態(tài)上,具體可以分為以下幾類:

a. 當(dāng)0.3≤2l/B<0.5時(shí),主流區(qū)水流較平順,流線較短;主流區(qū)左右兩側(cè)回流區(qū)范圍相差較大,隔板之間的回流區(qū)明顯大于導(dǎo)板之間的回流區(qū),典型水流流態(tài)見圖4(a)。

b. 當(dāng)0.5≤2l/B<0.8時(shí),主流區(qū)水流偏轉(zhuǎn)適中,呈現(xiàn)“S”形流線;主流區(qū)左右兩側(cè)回流區(qū)大小相當(dāng),典型水流流態(tài)見圖4(b)。

c. 當(dāng)0.8≤2l/B≤0.9時(shí),主流區(qū)水流偏轉(zhuǎn)較大,流線較長(zhǎng),在2l/B=0.9時(shí),主流會(huì)在池室中間碰觸到邊壁,沿邊壁流動(dòng)一段距離后向右偏轉(zhuǎn)進(jìn)入下一級(jí)池室;主流區(qū)左右兩側(cè)回流區(qū)范圍相差較大,導(dǎo)板之間的回流區(qū)明顯大于隔板之間的回流區(qū),典型水流流態(tài)見圖4(c)。

圖4 不同豎縫位置時(shí)魚道池室內(nèi)的典型水流流態(tài)

2.2 主流區(qū)水流特性

主流區(qū)的位置及流速分布是影響魚類成功上溯的關(guān)鍵因素。根據(jù)主流區(qū)的位置不同,魚道池室內(nèi)的水流特性大致分為3類:主流區(qū)偏向、主流區(qū)居中和主流區(qū)貼壁。考慮到貼壁流的不利流態(tài)會(huì)影響魚類上溯,故在魚道設(shè)計(jì)中應(yīng)避免主流區(qū)出現(xiàn)貼壁流的不利流態(tài),根據(jù)觀察發(fā)現(xiàn),最大流速位置分布曲線(最大流速指各橫斷面上的最大流速)與主流區(qū)中心線基本重合,故可通過最大流速位置分布曲線的變化規(guī)律來研究豎縫位置對(duì)主流區(qū)位置的影響;洄游魚類在豎縫式魚道中沿主流區(qū)上溯,主流區(qū)的流速分布及流速衰減速度與魚類上溯過程中的體能消耗、上溯時(shí)間及是否成功上溯有著密切關(guān)系,一般而言,主流區(qū)的流速應(yīng)大于洄游魚類的感應(yīng)流速,同時(shí)應(yīng)保證池室內(nèi)主流區(qū)最大流速不超過魚類運(yùn)動(dòng)時(shí)的爆發(fā)游泳速度,考慮到主流區(qū)射流斷面中心位置流速始終保持?jǐn)嗝孀畲笾?且射流斷面中心位置的流速能反映出主流區(qū)在該斷面處的流速值量級(jí),故用最大流速沿程變化曲線來反映主流區(qū)的流速分布。

圖5、圖6分別給出了不同豎縫位置時(shí)的主流區(qū)最大流速位置分布曲線及最大流速沿程變化曲線,其中vmax為各橫斷面上最大流速,Vmax為所有橫斷面上最大流速的最大值。

圖5 主流區(qū)最大流速位置分布曲線

圖6 主流區(qū)最大流速沿程變化曲線

由圖5可知:①橫向上,主流區(qū)最大流速所在位置在豎縫位置附近。②不同豎縫位置時(shí)的主流區(qū)最大流速位置分布曲線相似,都是在x/L=0.08左右向池室左側(cè)偏轉(zhuǎn),即主流流經(jīng)豎縫后順著導(dǎo)板的墩頭向池室左側(cè)偏轉(zhuǎn),在中間段最大流速位置分布曲線偏轉(zhuǎn)達(dá)到最大且較順直,在x/L=0.64左右軌跡線向池室右側(cè)偏轉(zhuǎn)進(jìn)入下一級(jí)池室。③豎縫位置不同,最大流速位置分布曲線進(jìn)入順直段的位置不同,當(dāng)2l/B=0.3時(shí),曲線在x/L=0.28處進(jìn)入順直段;當(dāng)2l/B=0.4、0.5時(shí),曲線在x/L=0.36處進(jìn)入順直段;當(dāng)2l/B=0.6、0.7、0.8時(shí),曲線在x/L=0.44處進(jìn)入順直段;當(dāng)2l/B=0.9時(shí),曲線在x/L=0.48處進(jìn)入順直段,即豎縫位置越靠近中間,最大流速位置分布曲線進(jìn)入順直段的距離越遠(yuǎn),順直段長(zhǎng)度越小。④當(dāng)2l/B=0.9時(shí),曲線在x/L=0.48～0.64范圍內(nèi)y/B接近0.8,主流區(qū)出現(xiàn)貼壁流的不利流態(tài)。

由圖6可知:①豎縫位置的變化對(duì)最大流速沿程變化基本沒有影響,這與羅小鳳等[10]得出的結(jié)論一致,最大流速沿程呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化規(guī)律,流速沿程衰減效果顯著,且池室內(nèi)最大流速出現(xiàn)在x/L=0.08處,即豎縫偏下游處。②當(dāng)0.4≤2l/B≤0.9時(shí),主流區(qū)最大流速沿程變化曲線基本趨于一致,其中當(dāng)0.7≤2l/B≤0.9時(shí),最大流速曲線在x/L=0.92處出現(xiàn)一個(gè)峰值,這是因?yàn)楫?dāng)0.7≤2l/B≤0.9時(shí),主流偏向池室左側(cè)流動(dòng),在進(jìn)入下一級(jí)池室前,受隔板的阻擋作用,主流流線發(fā)生彎曲并開始密集,進(jìn)而導(dǎo)致隔板處流速增大;當(dāng)2l/B=0.9時(shí),主流在前半段與周圍水體摻混較強(qiáng),故速度衰減較快,之后主流貼近邊壁流動(dòng),由于受到束縛流速開始增大,如圖4(c)所示。③當(dāng)2l/B=0.3時(shí),最大流速衰減較慢,這是由于當(dāng)2l/B=0.3時(shí),主流平順,與周圍水體摻混較弱,無法充分消能。

結(jié)合魚類對(duì)主流區(qū)水流流態(tài)的需求,考慮到2l/B=0.9時(shí)的貼壁流流態(tài)及2l/B=0.3時(shí)流速衰減較慢,豎縫位置2l/B宜取0.4～0.8。

2.3 回流區(qū)水流特性

回流區(qū)流速較緩,可在魚類上溯過程中提供休息空間,為保證魚類可以在回流區(qū)較好地休息且不影響正常上溯,回流區(qū)內(nèi)的流速需小于魚類的感應(yīng)流速,否則魚類會(huì)因自身逆流而上的特性而在回流區(qū)內(nèi)游動(dòng),不僅不利于休息,還會(huì)影響魚類的正常上溯;同時(shí)回流區(qū)不宜過大,因?yàn)檫^大的回流區(qū)會(huì)使魚類迷失方向而無法游出該區(qū)域,影響過魚效率。以下對(duì)不同豎縫位置時(shí)回流區(qū)水流特性進(jìn)行定量分析,回流區(qū)參數(shù)如表1所示。

表1 回流區(qū)參數(shù)

注：Lc、Bc分別為回流區(qū)長(zhǎng)度和寬度(分別用回流區(qū)的最大長(zhǎng)度與寬度表示);vcmax為回流區(qū)最大流速。

由表1可見:①豎縫位置越靠近中間,左側(cè)回流區(qū)越小、右側(cè)回流區(qū)越大,回流區(qū)影響域LcBc/LB的范圍為0.06～0.52。②當(dāng)0.3≤2l/B≤0.4和0.8≤2l/B≤0.9時(shí),左右兩側(cè)回流區(qū)范圍相差較大,大回流區(qū)約是小回流區(qū)的4～8倍;當(dāng)0.5≤2l/B≤0.7時(shí),左右兩側(cè)回流區(qū)大小相當(dāng),大回流區(qū)約是小回流區(qū)的1.5倍。③當(dāng)0.3≤2l/B≤0.7時(shí),豎縫位置越靠近中間,左側(cè)回流區(qū)的長(zhǎng)寬比Lc/Bc越大,即回流區(qū)形狀越扁平;當(dāng)2l/B≥0.8時(shí),左側(cè)回流區(qū)受主流影響位于池室前半段,Lc變小,故Lc/Bc開始變小;右側(cè)回流區(qū)的Lc/Bc隨著2l/B的增大而減小。④左右兩側(cè)回流區(qū)的最大流速與回流區(qū)大小有關(guān),回流區(qū)大小相當(dāng),最大流速值也相當(dāng);反之,回流區(qū)相差較大,最大流速值也相差較大。

由于文本不針對(duì)具體魚類,故只從回流區(qū)的流速和范圍不宜過大考慮,豎縫位置2l/B宜取0.5～0.7。

2.4 豎縫斷面處流速分布

豎縫斷面處水流流動(dòng)相對(duì)急劇,魚類需以爆發(fā)游泳速度穿越豎縫,故豎縫斷面的水力特性研究對(duì)提高過魚效率具有重要意義。為分析豎縫位置對(duì)豎縫處流速分布的影響,圖7給出了豎縫中心斷面流速分布曲線(圖中va為豎縫中心斷面的平均流速,v′為豎縫中心斷面上距斷面?zhèn)冗吘嚯x為b′位置處的速度)。結(jié)果表明:豎縫位置對(duì)豎縫處流速分布沒有影響,不同豎縫位置時(shí),豎縫中心斷面流速分布曲線相似,均呈現(xiàn)中間大、兩側(cè)小的特點(diǎn),低流速區(qū)為游泳能力弱的魚類提供了上溯通道。當(dāng)2l/B=0.3時(shí),豎縫左側(cè)的v′/va較其他位置偏大,這是由于2l/B=0.3時(shí),水流經(jīng)過豎縫時(shí)較平順,流線分布均勻。

圖7 豎縫中心斷面流速分布曲線

3 結(jié) 論

a. 豎縫位置改變了主流區(qū)的位置,當(dāng)0.4≤2l/B≤0.8時(shí),豎縫位置對(duì)主流區(qū)的水流形態(tài)基本沒有影響,在2l/B>0.8后,主流區(qū)會(huì)出現(xiàn)貼壁流的不利流態(tài)。

b. 豎縫位置對(duì)回流區(qū)的影響體現(xiàn)在回流區(qū)的分布、大小及流速3個(gè)方面,考慮回流區(qū)的流速和范圍不宜過大,豎縫位置2l/B宜取0.5～0.7。

c. 豎縫位置對(duì)豎縫處流速分布影響不明顯,不同豎縫位置時(shí),豎縫中心斷面流速分布曲線相似,均呈現(xiàn)中間大、兩側(cè)小的特點(diǎn)。

d. 豎縫式魚道豎縫位置的最佳取值范圍宜為2l/B=0.5～0.7,即豎縫位置距池室側(cè)壁為池室寬度的25%～35%時(shí),池室內(nèi)水流流態(tài)更合理,可進(jìn)一步提高豎縫式魚道的過魚效率。

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Effectofslotpositiononhydrauliccharacteristicsofverticalslotfishway

ZHAO Binru1, DAI Huichao1, RONG Guiwen2, YUAN Yue1

(1.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

In order to investigate the effects of slot position on the hydraulic characteristics of a vertical slot fishway pool, the RNGk-εturbulence model and velocity-pressure coupling SIMPLE algorithm were used to numerically simulate the fishway under different working conditions. The results indicate that the slot position rarely influence the pattern of mainstream flow, the attenuation of velocity along main stream, and the velocity distribution at the vertical slot section. The slot position affects the distribution, area, and flow field of the recirculation zone by changing the location of the mainstream zone. When the distance between the vertical slot and the sidewall is 25% to 35% of the pool width, the flow pattern in the fishway is reasonable and the efficiency of fish passing is significantly improved.

vertical slot fishway; vertical slot position; hydraulic characteristics; numerical simulation

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2016B42014); 長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT1233)

趙彬如(1992—),女,博士研究生,主要從事環(huán)境水力學(xué)研究。E-mail:binruzhao@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.05.012

TV135.1;S956.3

：A

：1006-7647(2017)05-0069-05

2016-08-28 編輯：熊水斌)