豎縫式魚道90°轉彎段水力特性研究

李明泉，蔡德所，吳攀高，李 烈

（1.廣西壯族自治區水利科學研究院 廣西水工程材料與結構重點實驗室，南寧 530023；2.三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443000；3.廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023）

0 引言

魚道在國內的發展大約起于20 世紀60 年代，中間經歷了20 年左右的停滯期，2000 年以后隨著人們意識到生態環境的重要性，魚道迎來了二次發展時期[1，2]。2000年以前，國內學者對魚道的水力特性鮮有研究；隨后，隨著流體力學軟件的飛速發展[3]，水力特性的研究越發便利，人們對魚道水力特性的研究也逐漸增多。

2008年，董志勇等人建立了異側豎縫式魚道模型，實測了魚道模型主流區的流速，分析了不同流量，在相同水深下，流速的沿程變化[4]。2009 年，徐體兵等人研究了豎縫式魚道水池長寬比變化及墩頭對水流結構的影響，并進行了模型實驗[5]。2011年，毛熹等人通過魚道模型試驗，測量了某一池室內的流速分布，并提出了一種優化的新型魚道結構[6]。2012 年，張國強等人對豎縫寬度和豎縫式魚道水流結構的關系做了數值模擬研究，分析了主流區的流速曲線及豎縫式斷面處的流速分布，給出了豎縫式魚道豎縫寬度合理的取值范圍[7]。2013 年，邊永歡等人研究了豎縫式魚道豎縫斷面和主流區的流速分布，以及回流區的水流結構特性[8]。2015年，邊永歡等人對豎縫式魚道90°轉彎段的水力特性進行了數值模擬，提取了主流區最大流速軌跡曲線，并針對水流結構，提出了改進措施[9]。

我國雖然在魚道水力特性的研究取得一定的成就，但仍有許多魚道處于運行情況不佳的狀態。我國魚道的主要過魚對象與外國不同，不能照搬國外經驗。魚道沿岸布置時，受到地形條件的限制，常設置成90°轉彎段，國內對魚道90°轉彎段的參考資料仍然較少，因此需結合過魚對象，對魚道90°轉彎段的水力特性進行更進一步的論證。本文以廣西老口魚道工程為背景，采用Flow-3D 軟件對其90°轉彎段的水力特性進行數值模擬研究，分析主流區的流速和紊動能等問題，以期為老口魚道過魚效果評價及今后的魚道設計提供科學依據。

1 建立模型

1.1 物理模型

物理模型的原型為廣西老口航運樞紐的魚道工程，采用1∶1的比例建立物理模型。采用Rhinoceros 軟件繪制魚道三維模型，并保存成stl 格式文件，以便于導入Flow-3d 軟件，進行三維模擬計算。相較于平直段魚道，90°轉彎段為魚道的特殊段，為了避免90°轉彎段內的水力特性受到邊界條件的影響，在魚道模型的進口及出口各增加2 個池室[7，9]。模型由平直段的4 個池室和90°轉彎段的3 個池室組成。沿模型中軸線，模型長30.7 m，寬3.6 m，高2.8 m，墻和底板厚度設為0.3 m，每個池室長3.3 m，寬3 m。由于所取90°轉彎段模型較短，底坡變化不大，故不考慮底坡的影響。模型的整體布置如圖1所示，橫隔板及導板等細部結構如圖2所示。

圖1 魚道整體布置圖

圖2 池室細部結構圖（單位：mm）

1.2 數學模型

Flow-3D對自由液面有強大的捕捉能力，把水流看成不可壓縮的流體，對水流的紊流流動，采用Flow-3D中內置的RNG k-ε湍流模型[10]，控制方程如下：

（1）連續方程

式中：ρ為流體密度；VF為可流動的體積分數；t為時刻；Gx、Gy和Gz分別為物體在x、y和z3個方向的重力加速度；fx、fy和fz分別為x、y和z3個方向的粘滯力加速度；p為壓強。

（3）湍動能kT方程：

式中：Diffε為擴散項；GT為重力加速度；CDIS1、CDIS2和CDIS3為常數項，其值分別為1.44、1.92和0.2。

采用truVOF方法追蹤自由表面流動，求解水氣兩相的體積分數連續方程，以此確定自由液面位置。其方程如下：

2 模擬計算

為了使模型充分計算，得到水流穩定后的計算結果，本次模擬計算總時間定為300 s，模型加載20℃的水流。模擬選擇的網格為立方體網格（0.1 m×0.1 m×0.1 m），模型總共被劃分為433 541 個網格。網格劃分完畢后，可采用Flow-3D 內置的FAVOR功能查看網格劃分后的模型，對于外形有缺陷的地方可進行局部加密，提高模型計算的準確性。

模擬選擇的對象為魚道90°轉彎段，為了減少對轉彎段模擬計算的影響，把模型分為3 個部分——兩端的平直段和90°轉彎段[9]。網格劃分見圖3。

圖3 網格劃分

魚道模型的兩側墻壁和池底的邊界條件均設置為固壁邊界；頂端設置為壓力邊界，流體分數設置為0，表示魚道模型的上方為空氣；水流進口和束流出口同樣設置為壓力邊界，壓力為靜水壓力，按照老口魚道的設計水位，將水流進口的水深設為2.0 m，水流出口的水深設為1.6 m。邊界條件見圖4。

圖4 邊界條件

壓力求解方式采用GMRES 方法。時間步長的設置均使用默認值（Flow-3D 默認的時間步長為1.0×e-6×Finish time），Flow-3D會根據實際情況自動進行計算[11]。

3 模擬結果

3.1 水流流態

魚道設計的成功與否，與魚道的水流流態的好壞有很大的關系。老口魚道設計運行水深為2.0 m，模型計算結束后，取距池底高度分別為H=0.5 m 和H=1.0 m的平面，做成切片，流態分布見圖5。

圖5 流態分布圖

從圖5可以看出，豎縫式魚道90°轉彎段有明顯的主流區和回流區，明顯的主流區有助于魚類洄游時感應方向，回流區流速普遍低于主流區，可為魚類洄游時提供臨時休息的場所；同一深度，不同池室流態分布相似，不同水深相同池室水流流態分布也相似。為了研究豎縫式魚道90°轉彎段主流區的流速情況，在90°轉彎段沿主流區，從上游到下游依次選取12個測點（見圖6），得到不同水深主流區流速的沿程變化圖（見圖7）。

圖7 主流區流速分布圖

從圖7可以看出，水流進入豎縫式魚道90°轉彎段后，流速略有提升，其中測點4 和測點10 是豎縫處測點，表明水流在通過豎縫時流速降低，通過豎縫后流速增加；主流區的最低流速約為0.65 m/s，最高流速約為1.2 m/s，回流區的流速普遍低于0.5 m/s，回流中心的流速趨近于0；整體來說，相同位置，距池底越高流速越低。

3.2 紊動能

紊動能的大小也是影響魚道設計及魚類過魚效果的重要因素，經查閱文獻，發現對豎縫式魚道紊動能的研究較水流流態少。紊動能越小，魚道內的水流越平穩，魚類通過魚道的可能性就越高[7，12]。和研究水流流態一樣，取距池底高度分別為H=0.5 m和H=1.0 m的平面，做成切片，紊動能分布見圖8。

圖8 紊動能分布圖

從圖8 可以看出豎縫式魚道90°轉彎段紊動能的分布和水流流態基本一致，同一深度，不同池室紊動能分布相似，不同水深相同池室紊動能分布也相似。中間回流區的紊動能最小，最小值趨近于0。為了研究豎縫式魚道90°轉彎段主流區的紊動能情況，在90°轉彎段沿主流區，從上游到下游依次選取12 個測點（見圖6），得到不同水深主流區紊動能的沿程變化圖（見圖9）。

圖9 主流區紊動能分布圖

從圖9 可以看出水流進入豎縫式魚道90°轉彎段時，主流區紊動能略有提升，隨后趨于穩定。主流區紊動能最低約為0.010 J/kg，最高為0.025 J/kg。整體來說，相同位置，距池底越高紊動能越大。

4 討論

老口魚道的主要過魚對象為常見的“四大家魚”（青魚、草魚、鰱魚和鳙魚）[10]，目前國內魚類游泳能力的研究資料較少，根據《水利水電工程魚道設計導則》（SL 609-2013）[13]，“四大家魚”的游泳能力見表1。

一般來說，魚類的極限流速和體長是成正比的[14]，結合表1可知，體長0.50～0.60 m的青魚比較容易通過此魚道；體長0.3 m以下的草魚和鰱魚、體長0.8 m以下的鳙魚，其極限游速小于魚道主流區的最大流速，通過魚道時會有阻礙；體長0.3 m及以上的草魚和鰱魚、體長0.8 m及以上的鳙魚，其極限游速大于魚道主流區的最大流速，可以順利通過魚道洄游。

表1 “四大家魚”的游泳能力

5 結論

本文以老口航運樞紐魚道工程90°轉彎段為原型，結合Flow-3D 軟件，對豎縫式魚道90°轉彎段進行了模擬計算，分析了90°轉彎段主流區流速和紊動能的沿程及垂向變化，得出的結論如下：

（1）豎縫式魚道90°轉彎段有明顯的主流區和回流區，明顯的主流區有助于魚類洄游時感應方向，回流區流速普遍低于主流區，可為魚類洄游時提供臨時休息的場所；主流區流速較低，能適應主要過魚對象大部分體長范圍的魚類通過；整體來說，相同位置，距池底越高流速越低。就流速因素而言，老口魚道90°轉彎段的設計比較合理。

（2）豎縫式魚道90°轉彎段紊動能的分布和水流流態基本一致，紊動能整體較小，最高僅為0.025 J/kg。整體來說，相同位置，距池底越高紊動能越大。就紊動能而言，老口魚道90°轉彎段的設計合理，有利于魚類洄游。

（3）數值模擬結果表明，老口豎縫式魚道90°轉彎段有著良好的水力特性（流態和紊動能），能幫助魚類洄游。由于老口魚道還未正式投入使用，具體的洄游效果如何，還需要在魚道使用中進行檢驗。