不同開孔數量對魚巢砌塊水力特性的影響研究

葉昆河，韓 雷，王正君，蘇國青，李樹航，狄高健

(1.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

傳統城市河道硬質護岸工程既限制了河流側向連通性和垂向連通性，又阻礙了陸地與水域之間物質、能量、信息流動和傳播，因此物種流、信息流和物質流-3流連續性被破壞，故修復河流生態物種多樣性和保護水生態完整性迫在眉睫[1-4]。近年來，魚巢砌塊作為一種具有防洪、岸坡穩定、防治水土流失、景觀和保護水生生物等功能的新型生態護岸構件受到人們廣泛的關注[5]。國內外研究表明，大多數魚類游泳行為與流速、水流紊動能息息相關[6-13]。而且魚巢砌塊水力特性隨著魚巢砌塊結構形式的變化而變化，可滿足不同流域中不同品種、不同生長期的水生生物對棲息地水力特性的要求[14]。因此，魚巢砌塊內部水力特性的研究具有非常重要的理論意義和實用價值，可為魚巢砌塊的結構設計與優化提供科學的理論依據。牧平朋大[15]通過水力學實驗研究了魚巢砌塊內部大致的流程和開口部位的物質交換機制。山本貴則[16]通過水力學實驗研究了魚巢砌塊開口部位的紊流結構。中島央晶[17]驗證了在魚巢砌塊與河流的交界處出現的紊流剪切層中形成旋渦的特性。黒川昇平[18]通過數值模擬給出了3種開口形狀的魚巢砌塊數值模擬結果，并研究了其水力特性。之后，黒川昇平[19]又通過數值模擬研究了魚巢砌塊開口部位以內的水面振動特性、流速變化特性、河流與魚巢砌塊之間的流體交換特性。陳興茹[20]通過模型試驗與數值模擬相結合的方式研究了不同工況下魚巢砌塊內部的流場和流態。在目前已有的魚巢砌塊水力特性研究成果中，開孔數量對魚巢砌塊水力特性影響的報道很少。為研究開孔數量對魚巢砌塊水力特性的影響，本文以魚巢砌塊為研究對象，通過數值模擬的方法對魚巢砌塊內部的流速場、紊動能以及漩渦等水力特性進行研究，為研究魚類在不同開孔數量魚巢砌塊內部休憩的特點提供參考。

1 材料與方法

1.1 魚巢砌塊體型

本文共討論了五種不同開孔數量的魚巢砌塊體型，開孔數量分別為2個、3個、4個、5個和6個，如圖1所示。魚巢砌塊原型長為1.00 m，寬為0.50 m，高為0.50 m；其空腔長為0.90 m，寬為0.40 m，高為0.45 m。魚巢砌塊原型邊壁和底部的厚度均為0.05 m，頂部為開放式。魚巢砌塊原型進口結構的開孔率為50%，且其高度為0.40 m。

圖1 五種不同開孔數量的魚巢砌塊體型

1.2 物理模型試驗

本模型試驗以魚巢砌塊為研究對象，以魚巢砌塊水力特性為研究內容，通過物理模型試驗測定魚巢砌塊(模型)空腔和外部的流場，觀察并記錄流態情況，以此驗證數值模擬計算成果的可靠性。

試驗裝置為玻璃水槽，模型試驗所使用的流速測量儀器為南京水利科學研究院研制的NKY04-L1型旋槳流速傳感器和NKY02-1C型測速儀。

1.3 數學模型的設置

本文利用專業三維建模軟件以1∶1比尺建立魚巢砌塊數學模型，并利用計算流體動力學專業軟件計算并分析五種不同開孔數量的魚巢砌塊(原型)的水力特性。數值模擬計算區域如圖2所示。本文采用標準六面體結構化網格的方法進行網格劃分，網格數范圍為271 715～278 887個，節點數范圍為291 214～298 690個，網格最大邊長尺寸為0.04 m，網格最小邊長尺寸為0.01 m，如圖3所示。本文分析和模擬三維瞬態問題，假設魚巢砌塊周圍的流動為黏性不可壓縮流體的紊流運動，溫度變化很小，故可忽略能量的變化。本數學模型為明渠模型，因而采用VOF方法時需應用“Open Channel Flow”模塊，同時采用標準 k-epsilon紊流模型，故主要控制方程為連續方程、動量方程、紊動能方程和紊流耗散率方程。

圖2 計算區域

圖3 網格劃分圖示

本文入口邊界設置為壓力入口邊界條件，并應用“Open Channel”模塊，入口第二相為水，水深為0.5 m，水流流速為1 m/s；出口邊界設置為壓力出口邊界條件，并應用“Open Channel”模塊，水深為0.5 m。流場計算方法采用SIMPLE算法，計算時間步長為0.01 s。

2 結果與分析

2.1 模型驗證

本文將物理模型試驗結果轉化為原型數據來與數值模擬結果進行對比分析，從而驗證數值模擬結果的合理性。提取魚巢砌塊內部空腔中部測層的中間縱斷面上各節點的流速值，結果如圖4所示。由圖可知，本文數值模擬結果和物理模型試驗結果吻合良好，兩者的流速分布趨勢基本一致，且最大的流速差不超過0.015 m/s，故說明本文數學模型能夠較好地模擬魚巢砌塊的水力特性。因此采用本文數學模型來研究不同開孔數量對魚巢砌塊水力特性的影響能夠滿足要求。

圖4 流速對比

2.2 數值模擬結果分析

2.2.1 流速分析

本文通過數值模擬得到了五種不同開孔數量的魚巢砌塊(原型)的流場情況，魚巢砌塊內部空腔中部測層(Z= 0.275 m)的流速分布結果如圖5所示，其中V為流速。由圖5可知，不同開孔數量的魚巢砌塊的流速分布規律如下：(1)從2孔魚巢砌塊到5孔魚巢砌塊，魚巢砌塊內部空腔的平均流速隨開孔數量的增多而降低，且流速范圍為0～0.0625 m/s的低流速區面積隨開孔數量的增多而增大。相比于5孔魚巢砌塊，6孔魚巢砌塊內部空腔的平均流速較大、流速范圍為0～0.0625 m/s的低流速區面積較小。(2)魚巢砌塊內部空腔的近岸側始終存在流速較大的流速區。本文以與進口結構相對的一側為近岸側，以進口結構中最靠近上游段的孔口為第1開孔，沿著主槽水流方向以此類推可得第2～6開孔。(3)魚巢砌塊進口部的平均流速隨開孔數量的增多而降低。(4)魚巢砌塊內部最大流速均出現在進口部，且均位于第1開孔的下游側。(5)從第1開孔至最后一個開孔，孔口處的平均流速越來越小，且每個孔口的最大流速均位于其下游側。(6)隨著開孔數量的增多，魚巢砌塊內部空腔的漩渦數量先增多后減少，且漩渦總面積先增大后減小，其中3孔魚巢砌塊內部空腔的漩渦數量最多、總面積最大。(7)2孔魚巢砌塊內部空腔的流速范圍較大(0～0.313 m/s)，且其單個孔口尺寸較大，故適合作為各種體形的魚類的休憩場所。(8)3孔魚巢砌塊和4孔魚巢砌塊的內部空腔中漩渦數量較多，且漩渦總面積較大，故不適合作為小體形魚類的休憩場所。(9)5孔魚巢砌塊和6孔魚巢砌塊的內部空腔中絕大部分區域的流速范圍較小(0～0.125 m/s)，且其單個孔口尺寸較小，故適合作為小體形魚類的休憩場所。

圖5 流速分布結果

2.2.2 紊動能分析

本文通過數值模擬得到了五種不同開孔數量的魚巢砌塊(原型)的紊動能分布情況，魚巢砌塊內部空腔中部測層(Z= 0.275 m)的紊動能分布結果如圖6所示，其中TKE為紊動能。由圖6可知，不同開孔數量的魚巢砌塊的紊動能分布規律如下：(1)隨著魚巢砌塊開孔數量的增加，魚巢砌塊內部空腔的最大紊動能越來越小，且紊動能范圍為0～0.004J/kg的低紊動能區面積越來越大。(2)2孔魚巢砌塊內部空腔的最大紊動能分布在其中心部位；在開孔數量大于2個的魚巢砌塊的內部空腔中，其最大紊動能均分布在進口結構一側，且相對高紊動能區面積越靠近上游越大。(3)魚巢砌塊的最大紊動能均分布在最靠近下游段的開孔處(即最后一個開孔)，且從第1開孔至最后一個開孔平均紊動能逐漸增大。(4)隨著開孔數量的增加，魚巢砌塊最后一個開孔的最大紊動能先增大后減小，其中3孔魚巢砌塊最后一個開孔的最大紊動能在五種魚巢砌塊中最大。(5)在五種不同開孔數量的魚巢砌塊中，紊動能均小于0.050 J/kg，屬于低紊動能區[21]，故均適合作為魚類的休憩場所。

圖6 紊動能分布結果

3 結 論

基于計算流體動力學軟件對五種不同開孔數量的魚巢砌塊進行水力特性數值模擬，發現魚巢砌塊內部的流速分布情況、漩渦數量及總面積、紊動能分布情況均與開孔數量有關，且不同開孔數量魚巢砌塊具有各自目標保護魚類適宜生存的體形范圍。綜上所述，研究開孔數量對魚巢砌塊水力特性的影響有利于我國生態護岸工程建設，為魚巢砌塊的體型設計、結構優化和科學研究提供參考。