基于數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)的某工程集魚(yú)系統(tǒng)水流條件研究

訾 娟，何曉萌，李桂青，何 霞

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.天津市排水管理事務(wù)中心，天津 300202）

1 工程概況

某工程壩下集魚(yú)系統(tǒng)布置在消力池?fù)鯄δ┒撕拥朗帲饕烧T魚(yú)進(jìn)口段、魚(yú)道式進(jìn)口段、集魚(yú)通道、集魚(yú)池、集魚(yú)斗等組成。集魚(yú)通道采用敞開(kāi)式通道，通道中不設(shè)置擋板，長(zhǎng)約10 m，寬2 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墻混凝土厚1.5 m，底高程為843.60 m。集魚(yú)系統(tǒng)進(jìn)口采用一股流速較高的水流吸引魚(yú)類，魚(yú)類經(jīng)進(jìn)魚(yú)口進(jìn)入集魚(yú)通道后，通過(guò)拖拽格柵將魚(yú)類引導(dǎo)至集魚(yú)池中，集魚(yú)池底部的提升裝置提升魚(yú)類和水，將魚(yú)集中在集魚(yú)斗中，通過(guò)專用吊具將集魚(yú)斗提出集魚(yú)池。在進(jìn)魚(yú)口后設(shè)置防逃裝置，防逃裝置和進(jìn)魚(yú)口均采用不銹鋼網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以防止魚(yú)類逃脫。集魚(yú)系統(tǒng)體型，如圖1所示。

圖1 集魚(yú)系統(tǒng)剖面（單位：m）

2 研究方法和技術(shù)路線

研究通過(guò)采用數(shù)值模擬計(jì)算和物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的綜合技術(shù)手段開(kāi)展。建立集魚(yú)系統(tǒng)三維紊流數(shù)學(xué)模型，對(duì)集魚(yú)系統(tǒng)及下游河道流場(chǎng)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展集魚(yú)系統(tǒng)整體物理模型試驗(yàn)，對(duì)集魚(yú)系統(tǒng)內(nèi)水力特性進(jìn)行研究。數(shù)值模擬計(jì)算和物理模型試驗(yàn)工況一致，詳見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算和物理模型試驗(yàn)工況

2.1 數(shù)學(xué)模型

本次數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域主要包括電站尾水、集魚(yú)系統(tǒng)以及下游河道。計(jì)算區(qū)域首先采用大小為0.2 m的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在集魚(yú)系統(tǒng)位置對(duì)網(wǎng)格局部加密，網(wǎng)格大小為0.1 m，網(wǎng)格劃分采用笛卡兒正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，由于集魚(yú)流量較小，水位較低，因此網(wǎng)格最大高程設(shè)為846 m，有效網(wǎng)格總數(shù)約385萬(wàn)個(gè)，計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分如圖2所示。計(jì)算模型在電站及生態(tài)基流出口位置設(shè)置上游進(jìn)口邊界，進(jìn)口邊界條件設(shè)為流速進(jìn)口邊界，進(jìn)口流速大小根據(jù)相應(yīng)工況的流量計(jì)算得出，在壩后樁號(hào)0+280位置設(shè)置下游出口邊界，出口邊界條件設(shè)為壓力邊界，水位高程為對(duì)應(yīng)工況的下游水位，固體邊界采用無(wú)滑移條件，液面為自由表面。計(jì)算初始時(shí)刻在計(jì)算區(qū)域設(shè)置初始水體，水體表面高程與下游水位對(duì)應(yīng)，以加快水流的穩(wěn)定，流體設(shè)置為不可壓縮流體。

圖2 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

2.2 物理模型

根據(jù)試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容及模型相似性，綜合試驗(yàn)場(chǎng)地及供水條件，確定模型為正態(tài)模型，幾何比尺為10。水流運(yùn)動(dòng)主要作用力是重力，因此模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，保持原型、模型佛汝德數(shù)相等。鳳山集魚(yú)系統(tǒng)整體模型包括電站及生態(tài)放水管出口、集魚(yú)系統(tǒng)、消力池邊墻及下游河道（河道至壩下樁號(hào)0+250），上述模擬范圍足以消除模型邊界對(duì)庫(kù)區(qū)水流影響，保證模型的可靠性。下游水位控制點(diǎn)位于壩下樁號(hào)0+200。模型布置，如圖3所示。

圖3 模型布置示意

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

3.1 集魚(yú)通道流速分布

在集魚(yú)通道內(nèi)沿水流方向布置9個(gè)流速測(cè)量斷面，每個(gè)斷面布置3個(gè)流速測(cè)點(diǎn)，共布置27個(gè)流速測(cè)點(diǎn)，相鄰斷面間距2.0 m，同一斷面相鄰測(cè)點(diǎn)間距0.8 m。測(cè)點(diǎn)布置，如圖4所示。

各工況下，集魚(yú)通道內(nèi)流速分布較為均勻，流向順直，水流自集魚(yú)系統(tǒng)上游進(jìn)口流入，經(jīng)圓孔隔板進(jìn)入集魚(yú)通道，再由防逃籠和進(jìn)魚(yú)口網(wǎng)格流出。在流量14.45 m3/s工況下，集魚(yú)通道內(nèi)流速大小分布在0.552～0.821 m/s，最小流速 0.552 m/s，最大流速0.821 m/s，平均流速0.693 m/s。集魚(yú)通道內(nèi)左、中、右3列測(cè)點(diǎn)流速沿程變化曲線，如圖5所示。由圖5可知，流速沿程變化不大，集魚(yú)通道內(nèi)中間流速大于左側(cè)和右側(cè)流速。

圖4 集魚(yú)通道流速測(cè)點(diǎn)分布（單位：m）

圖5 流量14.45 m3/s工況下集魚(yú)通道流速沿程分布（高程844.70 m）

3.2 進(jìn)魚(yú)口及下游河道流速分布

在進(jìn)魚(yú)口及下游河道沿水流方向布置6個(gè)流速測(cè)量斷面，共布置39個(gè)流速測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置，如圖6所示。

由于樁號(hào)0+146.26處過(guò)流寬度最小，15～21#測(cè)點(diǎn)流速較大。受集魚(yú)通道水流和通道外水流沖撞匯合影響，樁號(hào)0+138.13處右+3.0測(cè)點(diǎn)流速較小。流量14.45 m3/s工況下，樁號(hào)0+138.13、0+141.13、0+146.26斷面最大流速分別為 0.735、0.738、0.754 m/s。

樁號(hào)0+150.00、0+175.00、0+200.00各測(cè)點(diǎn)位置流速沿高程變化不大，由于水流自集魚(yú)平臺(tái)及其兩側(cè)向下游擴(kuò)散，靠近左岸位置流速明顯大于右岸，水流沿左岸邊墻擴(kuò)散，并在下游形成回流。流量14.45 m3/s工況 下，樁號(hào) 0+150.00、0+175.00、0+200.00斷面最大流速分別出現(xiàn)在25、31、38#測(cè)點(diǎn)，最大流速分別為0.692、0.669、0.617 m/s。

圖6 進(jìn)魚(yú)口及下游河道流速測(cè)點(diǎn)分布

3.3 集魚(yú)系統(tǒng)及上下游河道水深分布

集魚(yú)系統(tǒng)及上下游河道的水面高程變化較小，在集魚(yú)系統(tǒng)以及下游河道回流中心位置水面略有降低，流量14.45 m3/s工況下集魚(yú)平臺(tái)內(nèi)水深在2.13～2.15 m波動(dòng)。

4 物理模型試驗(yàn)成果

4.1 集魚(yú)通道流速分布

各工況下集魚(yú)系統(tǒng)上游進(jìn)水口水面平穩(wěn)，水流流態(tài)較好，水流進(jìn)入集魚(yú)系統(tǒng)后斷面流速均勻分布。集魚(yú)通道至下游進(jìn)魚(yú)口水流流線順直、流態(tài)較好，水面平穩(wěn)，流速橫向分布對(duì)稱均勻，無(wú)漩渦、回流等不利流態(tài)產(chǎn)生。流量14.45 m3/s工況下，集魚(yú)系統(tǒng)沿程流速分布如圖7所示，集魚(yú)通道內(nèi)各測(cè)點(diǎn)平均流速為0.517～0.602 m/s，各測(cè)點(diǎn)沿垂向表、中流速變化不大，均略大于底流速。

4.2 進(jìn)魚(yú)口及下游河道

各工況下水流經(jīng)過(guò)集魚(yú)系統(tǒng)后與左側(cè)過(guò)水通道水流交匯沖撞，在進(jìn)魚(yú)口左側(cè)邊墻下游側(cè)流速略小。樁號(hào)0+146.26斷面后水面擴(kuò)寬，主流偏向左岸，流速沿程逐步降低；右側(cè)水流摻混擴(kuò)散較快，水流分層現(xiàn)象明顯，流速顯著降低，有一個(gè)大范圍的靜水區(qū)。流量14.45 m3/s工況下，進(jìn)魚(yú)口及下游河道沿程流速分布如圖8所示。6個(gè)測(cè)流斷面（樁號(hào)0+138.13、0+141.13、0+146.26、0+150.00、0+175.00、0+200.00）的最大流速分別為 0.601、0.623、0.579、0.686、0.702、0.689 m/s。

圖7 流量14.45 m3/s工況下集魚(yú)通道沿程流速分布

圖8 流量14.45 m3/s工況下進(jìn)魚(yú)口及下游河道沿程流速分布

5 結(jié)語(yǔ)

由數(shù)值模擬計(jì)算和物理模型試驗(yàn)成果可知，各工況數(shù)模計(jì)算流速變化規(guī)律與物理模型實(shí)測(cè)值基本一致，但數(shù)值模擬計(jì)算流速值均略大于物理模型實(shí)測(cè)值，初步考慮存在差異的原因?yàn)閿?shù)值計(jì)算邊界簡(jiǎn)化模擬和物理模型試驗(yàn)邊界控制不穩(wěn)定。數(shù)值模擬計(jì)算成果與整體物理模型試驗(yàn)成果在水流流態(tài)、流速分布和集魚(yú)系統(tǒng)內(nèi)水流水位等方面基本一致，可作為設(shè)計(jì)參考依據(jù)。