基于Flow-3d 的異側(cè)豎縫底孔組合式魚道水力特性研究

范聰喆,劉 科,劉彬俠,陳 卓

（陜西省江河水庫工作中心,陜西 西安 710018）

1 前言

隨著人類社會發(fā)展,水利工程在防洪、發(fā)電、灌溉等方面發(fā)揮著巨大作用,但同時對生態(tài)環(huán)境也造成了一定影響[1]。特別是水庫大壩的修建阻礙了魚類洄游上溯進(jìn)行基因交流,破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。為了緩解水壩對魚類洄游通道的阻隔作用,在水利工程內(nèi)部設(shè)置魚道等過魚設(shè)施,形成連接通道,可保障魚類洄游、促進(jìn)上下游種群和基因交流[3]。近年來,隨著國家對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視,河流筑壩開發(fā)時修建過魚設(shè)施成為必不可少的環(huán)節(jié)[4]。

魚道可分為單一式魚道和組合式魚道,單一式魚道按體型又可分為豎縫式魚道、孔口式魚道及溢流堰式魚道[5]。現(xiàn)有研究多為單一式魚道,但洄游性魚類眾多,其溯游習(xí)性各異,傳統(tǒng)的單一式魚道不能同時滿足多種魚類的溯游習(xí)性,研究組合式魚道就越發(fā)重要[6]。同時,大多數(shù)魚道的水力設(shè)計(jì)只考慮流速因素,忽略了魚道內(nèi)水流的紊流特性。Herskin等認(rèn)為[7],魚類成群溯游時,可從領(lǐng)頭魚產(chǎn)生的旋渦中受益。若魚道中存在這種生態(tài)友好型的水流形態(tài),有利于魚類溯游,因此在研究魚道可行性時,應(yīng)適當(dāng)考慮紊動能變化。

本文利用Flow-3d 軟件模擬魚道的流態(tài)分布規(guī)律,分析魚道流速、紊動能與過魚對象的適應(yīng)性,結(jié)合其水力特性,為孔口和豎縫組合式魚道的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

2 研究對象和方法

2.1 研究魚道的基本體型與結(jié)構(gòu)

豎縫與孔口組合式魚道在我國應(yīng)用比較成功,某魚道全長1443.0 m,上下游水頭差15.0 m,魚道底坡為1∶80,魚道隔板203 塊,單個池室長度為6.0 m,有效水深3.0 m。魚道槽身標(biāo)準(zhǔn)斷面底寬5.0 m,兩側(cè)邊墻高2.5m,上接1∶2 斜坡高1 m,共高3.5 m,再接馬道,見圖1。隔板高度3.5 m,厚0.2 m,相鄰兩隔板的過魚孔交叉布置[8]。魚道每隔30 塊隔板設(shè)休息池,供魚類上溯時短暫休憩,休息池為平底段,長10 m,斷面與魚道槽身相同。隔板下底邊3.5 m,靠一側(cè)邊坡布置,邊坡底部設(shè)置1.5 m×1.5 m 過魚底孔,見圖2。

圖1 魚道槽身斷面圖（單位：m）

圖2 魚道槽身隔板斷面圖（單位：m）

2.2 流動控制方程和紊流模型

利用Flow-3d 軟件對魚道進(jìn)行水動力數(shù)值模擬。流體動力學(xué)計(jì)算（CFD）的實(shí)質(zhì)是在計(jì)算域內(nèi)對水流控制方程進(jìn)行離散迭代求解,獲得計(jì)算域內(nèi)的水動力因子,數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)為流動控制方程。

（1）質(zhì)量守恒方程

式中：xi、ui和ρ分別表示在i 方向上的空間坐標(biāo)、流體流速和流體密度。

（2）動量平衡方程

式中：fi、ui分別表示平均壓強(qiáng)、i 方向上的重力分量和流體粘性,-是由Boussinesq 假設(shè)推得的紊流雷諾應(yīng)力,采用k-ε方程,則具有如下表達(dá)式：

魚道模擬流體為不可壓縮流體,在選用紊流模型時,要考慮模擬局部回流與漩渦,根據(jù)各個紊流模型的特點(diǎn),考慮采用計(jì)算精度和穩(wěn)定性較好的k-ε模型[9-11]。

3 研究對象和方法

3.1 建立三維模型

由于研究魚道較長,結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,為便于后期計(jì)算分析,現(xiàn)對魚道模型進(jìn)行簡化,選取魚道10 個池室構(gòu)建數(shù)值模型,魚道中部設(shè)置10 m 長休息室。為保證模擬水流進(jìn)入魚道的穩(wěn)定性,分別在魚道進(jìn)口和出口處各設(shè)置10 m 的過渡段,隔板厚0.2 m,簡化魚道基本尺寸見圖3,利用Rhino 軟件建立三維模型見圖4。

圖3 模擬魚道內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖（單位：m）

圖4 魚道三維模型

3.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

根據(jù)魚道原型概況并結(jié)合Flow-3d 軟件模擬特性,為提高計(jì)算的穩(wěn)定性、高效性和準(zhǔn)確性,利用模塊中的FAVOR功能進(jìn)行網(wǎng)格處理,建立由0.1 m×0.1 m×0.1 m 的均勻立方體網(wǎng)格單元構(gòu)成的三維網(wǎng)格系統(tǒng),笛卡爾坐標(biāo)系下沿xyz 坐標(biāo)軸正方向長度分別92 m、3.5 m 和8 m,其網(wǎng)格系統(tǒng)恰好涵蓋魚道模型,共有2576000 個網(wǎng)格單元。

通過相關(guān)原型資料分析確定模型邊界條件為：魚道進(jìn)口段（上游邊界x-Min）設(shè)為流量邊界,流量為6.64 m3/s,水深為3 m；下游出口（下游邊界x-Max）設(shè)為壓力邊界,設(shè)定水深為3 m 的靜水定壓力；模型上部（上邊界z-Max）設(shè)置為壓力邊界,設(shè)置數(shù)值為1 個大氣壓空氣壓強(qiáng)；模型的底部（下邊界z-Min）設(shè)為固壁邊界,魚道壁面邊界條件符合流速不分離和無滑移條件,見圖5。

圖5 魚道模型邊界條件

結(jié)合本次模擬的實(shí)際情況確定其它相關(guān)參數(shù)：模擬流體選擇20℃的水,物理模型選擇重力模型（Gravity）、粘度與紊流模型（Viscosityd and Turbulence）,根據(jù)魚道坡降,重力加速度在z 軸負(fù)方向取-9.809 kg/s3,在x 軸正方向取0.123 kg/s3,粘度與紊流模型選擇無粘度的紊流RNG 模塊（Renomalized group model）,為提高計(jì)算效率,初始計(jì)算水位設(shè)為3 m,運(yùn)行時間設(shè)置為水流狀態(tài)趨于穩(wěn)定時停止模擬,輸出數(shù)據(jù)添加流速、紊動能等類型,數(shù)據(jù)輸出間隔為2 s。

3.3 模型驗(yàn)證

為保證數(shù)學(xué)模型的有效性及合理性,進(jìn)行相應(yīng)水力模型的比對驗(yàn)證,建立1∶10 幾何比尺模型,見圖6。采用紅外線流速儀對魚道內(nèi)a-b 監(jiān)測線（第五級池室的B/2、h/2 位置處,其中B 為池室寬,h 為有效水深）流速進(jìn)行測定,圖7 為試驗(yàn)實(shí)測流速與模擬流速對比,實(shí)測值與模擬值基本吻合、趨勢基本一致,說明所建數(shù)學(xué)模型合理,模擬成果具有一定可信性。

圖6 魚道模型試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意

圖7 模擬流速對比

4 結(jié)果分析

4.1 流速分析

因魚道內(nèi)不同水深的流態(tài)差異較大,為更好地研究組合式魚道的水力特性,現(xiàn)將魚道沿xy 平面取三個水深剖面進(jìn)行分析,分別為底層水體H1=0.1H=0.3 m；次底層水體H2=0.25H=0.75 m（底孔中部）；表層水體H3=0.6H=2.4 m；其中H 為自由表面水深,H1、H2、H3為距魚道底部高度,分析平面布設(shè)見圖8。

圖8 分析平面布設(shè)示意

為提高分析準(zhǔn)確性,選取典型段（x=22.1～28.8）進(jìn)行分析,即魚道第3 池室,三四隔板之間。圖9 為典型段不同水深的x-y 剖面流速分布圖,典型段各層水體流速統(tǒng)計(jì)見表1。底層水體（H1=0.3 m）平均流速為0.845 m/s,受過水?dāng)嗝媸湛s影響,底孔流速增大,但底孔流速略小于豎縫流速,且底近孔邊壁側(cè)流速較近隔板側(cè)流速低,符合魚類洄游喜貼壁的生理特性。由于隔板阻擋,隔板后方形成小型低流速回流區(qū)（平均流速為0.15 m/s）,為魚類上溯途中提供小型短暫休憩區(qū)。次底層水體（H2=0.75 m）平均流速為0.692 m/s,底孔流速整體偏大,流場分布較底層均勻,流體大部分經(jīng)下一級隔板潛孔流出,在兩級隔板之間生成回流區(qū),在底孔下游也有小型回流區(qū)產(chǎn)生。表層水體（H3=2.4 m）平均流速為0.175 m/s,小于底層和中層分析平面平均流速,水體流態(tài)相對較為簡單,在隔板后形成較大漩渦,水流呈“s 型”軌跡繞過隔板。圖10 為全魚道x-z 剖面流速分布圖。由圖可知,各池室x-z 剖面流速分布與典型池室基本一致。根據(jù)上述分析,組合式魚道的設(shè)計(jì)能夠很好地滿足大部分魚類上溯。

表1 魚道水力參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖9 典型段不同水深下x-y 剖面流速分布圖

圖10 全魚道x-z 剖面流速分布圖

4.2 紊動能分析

紊動能可用于度量由于紊動流速波動而導(dǎo)致動能增加的程度,紊動能對魚類洄游影響較大,若紊動能過大影響魚類對于方向的判斷,削弱魚類游泳能力和平衡能力,增大魚類上溯的能量消耗,從而影響魚類上溯率,甚至?xí)︳~類的生理能力造成不可逆損傷。因此合適的紊動能是魚道設(shè)計(jì)的重要參考指標(biāo),可為魚類洄游提供有利流態(tài),保障魚類上溯條件。典型段不同水深下x-y 剖面紊動能分布見圖11。

由圖11 可知,對于底層水體（H1=0.3 m）的紊動能最高值可達(dá)到0.162 m2/s2,為三層水體最小,紊動能最大值分布在各級擋板的上游區(qū)域,擋板近豎縫側(cè)的下游也存在小范圍的紊動能值偏高區(qū)域,順?biāo)鞣较驇罘植肌４蔚讓铀w（H2=0.75 m）的紊動能最高值可達(dá)到0.225 m2/s2,紊動能的分布規(guī)律與底層水體基本相同,較底層水體有所增加,近豎縫側(cè)的高紊動能區(qū)域較底層水體縮小。表層水體（H3=2.4 m）的紊動能最高值為0.212 m2/s2,高紊動能區(qū)域與主流軌跡部分重疊,回流區(qū)紊動能較小。魚道池室內(nèi)的三層水體紊動能基本在0.131 m2/s2以下,符合魚類洄游條件。全魚道x-z 剖面紊動能分布圖見圖12,由圖可知,各池室剖面紊動能流態(tài)分布與典型池室基本一致。魚道各層水體紊動能統(tǒng)計(jì)見表1。

圖11 典型段不同水深下x-y 剖面紊動能分布圖

圖12 全魚道x-z 剖面紊動能分布圖

5 結(jié)論

本文利用Flow-3d 對異側(cè)豎縫底孔式組合式魚道水動力特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析研究得出以下結(jié)論：

（1）池室流速隨水深增加逐漸增大,隔板后存在低流速回流區(qū),為魚類洄游過程提供短暫休憩場所,表層流體流速較低,在隔板后形成較大漩渦,水流“s 型”依次繞過各級隔板流動。

（2）開孔高度內(nèi),紊動能隨水深增加而減小,在未開孔高度隨水深增加逐漸降低,魚道池室內(nèi)大部分區(qū)域的紊動能均在0.131 m2/s2以下,符合魚類洄游條件,高紊動能區(qū)域與主流軌跡部分重疊,回流區(qū)紊動能較小。

綜上所述,組合式魚道能為魚類上溯提供適宜的水力條件,充分發(fā)揮魚道功能,對提高魚類的上溯率具有重要作用,本文的研究思路與方法可為魚道的設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供參考。