基于豎縫隔板的大底坡魚道水力優化數值模擬

2023-11-28 02:14:04黃姣鳳尹龍斌張家強蔣昌波

水利水電科技進展 2023年6期

鄧斌,黃姣鳳,徐拓,尹龍斌,張家強,蔣昌波

(1.長沙理工大學水利與環境工程學院,湖南長沙 410114; 2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室,湖南長沙 410114; 3.洞庭湖水環境治理與生態修復湖南省重點實驗室,湖南長沙 410114)

閘、壩等水利設施的興建在給防洪、灌溉、緩解缺水、開發清潔能源等方面帶來巨大效益[1]的同時會截斷河流,導致完整的河流碎片化[2],阻斷魚類洄游通道并影響其種群繁殖[3]。魚道作為一種生態型水利工程,能夠重建河流連通性,幫助魚類克服障礙恢復自然洄游[4],對保護魚類資源及水生生物多樣性具有一定的積極作用。魚道主要有仿自然型魚道(仿自然魚梯、魚坡和過魚旁路等)和技術型魚道(豎縫式魚道、池堰式魚道和丹尼爾魚道等)兩種類型[5],其中豎縫式魚道因結構簡單、能適應多變的上下游水位、消能效果顯著等特點,成為應用最廣泛和最有效的魚道型式之一[6]。

研究發現,我國已建的豎縫式魚道大多底坡較緩,為1/100～1/50[7]。而底坡坡度決定了魚道的總長度,是影響魚類上溯時間、工程建設成本及規劃布置的主要因素。一般來說,魚道底坡越陡,總長度越短,占地面積就越小,建設成本也越低。但是大底坡結構所形成的高速度、高湍動水流流場不利于游泳能力較弱的魚類洄游上溯[8]。因此,考慮河流生態修復及工程經濟性,國內外學者針對大底坡下豎縫式魚道的水力優化開展了相關研究,如部分學者基于物理模型試驗[9-10]和數值模擬[11-14]方法,分別研究了在各種大底坡(1/20～1/7)結構下,豎縫式魚道豎縫下游處設置不同直徑、個數及排列方式的圓柱體障礙物對池室水力特性的影響,并通過比較池室流速和池室湍動特性等相關參數來評估不同圓柱體配置方式的阻流效果。此外,也有部分學者研究了在豎縫處增設隔板對池室水流分布的影響,如Pena等[15]認為在底坡為1/10的豎縫式魚道豎縫底部設置不同長度的隔板可以減小池室最大流速,但同時會產生比較復雜的流場結構并增加池室湍動能;Mallen-Cooper等[16]基于原型觀測研究了底坡為1/20時在豎縫式魚道豎縫中間位置設置隔板對魚道過魚效率的影響,發現與未經改造的豎縫式魚道相比,其小魚通過效率提升了6～13倍,這種通過在豎縫式魚道結構水流最集中的部位設置消能措施以減少池室流速和湍流的方法比較有效、簡單和經濟,但是鮮見其相關的池室水力特性研究報道,而水力特征分布是探討魚類上溯行為機理的依據,也亟須對其進行相關研究。

綜上所述,通過在豎縫式魚道結構內增設局部消能措施(如圓柱體、豎縫隔板等)可改變池室流場分布,并且關于不同配置方式的圓柱體對池室水力特性的影響已進行了一定的研究,然而對于豎縫隔板所產生的影響,目前相關研究尚不夠全面、系統,還有待進一步探索與分析。因此,本文從水力、工程經濟等角度出發,在Mallen-Cooper等[16]的研究基礎上,通過建立魚道池室三維水動力數值模型,深入分析了5種大底坡J(1/40、1/30、1/20、1/15、1/10)條件下,豎縫隔板及其不同安裝高度h(0、0.04、0.08m,為豎縫隔板底部到池室底板的距離)對池室水力特性的影響,并闡明了豎縫隔板影響和優化大底坡魚道池室流場分布的內在原因。通過對池室水力特性的數值模擬研究,以期獲取關于這類魚道結構運行的基本知識,可為改進更有效、經濟的大底坡魚道結構提供相關技術依據。

1 數學模型

1.1 控制方程

本研究采用計算流體力學商業軟件FlOW-3D對豎縫式魚道內的水動力進行模擬,采用有限體積法求解三維雷諾平均納維-斯托克斯(RANS)方程。湍流模型選用重整化群(RNG)k-ε模型,該模型能夠較準確地模擬復雜水工結構內的流場分布[17]。

采用流體體積(VOF)方法模擬自由液面,即氣相和液相之間的界面。VOF方法通過求解整個計算域內各網格單元的體積分數,并進行持續記錄,構建出自由液面。其表達式為

(1)

式中:aw為水的體積分數;t為時間;ui為流體速度;xi為坐標。當aw=0時,計算域內全部充滿空氣;當aw=1時,計算域內全部充滿水;當0

1.2 計算域及網格劃分

數學模型計算域包括魚道入流段、出流段及5級池室,如圖1所示。豎縫寬度b為0.05m,單個池室凈長L=10b=0.5m,凈寬B=8b=0.4m,池室長寬比為10/8,底坡J分別取1/40、1/30、1/20、1/15、1/10。豎縫隔板尺寸為0.05m×0.01m×0.05m(長×寬×高),其中高度與豎縫寬度相等,布置方式如圖2所示。為減少進出口邊界對池室流場的影響,取第三級池室作為主要研究對象,采用六面體結構化網格對模型進行網格劃分,網格單元邊長設為0.006m。

圖1 魚道數學模型平面示意圖

圖2 豎縫隔板布置三維示意圖

1.3 邊界條件及初始條件

考慮到水流流動的物理特性及工程模擬的相似性,魚道上游進口及下游出口邊界條件均采用壓力邊界,并設置相應的水深,魚道進口水深為0.195m,出口水深為0.245m;模型頂部設置為壓力進口邊界,其相對壓強大小為0,水體體積分數設置為0,以便空氣可自由進入;魚道左右邊墻及底部設置為固壁無滑移邊界。模型初始水深H設置為0.2m,以使計算更快收斂并更加符合實際情況。模型采用廣義最小殘量(GMRES)隱式求解器計算,初始時間步長設置為0.001s,最小時間步長設置為10-7s。

1.4 數值模擬與物理模型試驗結果對比分析

為了評估數學模型模擬魚道池室水動力特性的能力,通過調整數學模型中魚道邊墻及底部的表面粗糙度rs(0.010、0.012、0.015、0.018),采用與數學模型尺寸相一致的物理模型對各表面粗糙度下的流速進行了對比驗證。物理模型試驗在長沙理工大學水利實驗中心的變坡水槽中進行,水槽尺寸為16m×0.4m×0.5m(長×寬×高),水槽底面及兩側均為透明的鋼化玻璃。為得到充分發展的水流,將模型布置在水槽中后段部分,并通過多普勒聲學流速儀測量了第三級池室z=0.5H水深平面處的速度場分布,池室流速測點布置如圖3所示。對比分析了底坡為1/20且無豎縫隔板情況下,距上游長擋板背水面距離0.22m斷面線處的物理模型與數學模型流速分布(圖4(a))及不同水深豎縫斷面中心點連線處的流速分布(圖4(b)),并通過決定系數R2對數學模型計算精度進行評價。驗證結果表明,當rs=0.015時,數學模型結果與物理模型結果吻合較好,R2都在0.9以上,數學模型能夠較準確地模擬魚道池室內的水力特性。

圖3 第三級池室測點布置(單位:m)

2 結果與分析

根據上述數學模型,分別對各工況進行了模擬計算,為減少魚道進出口邊界條件對計算結果的影響,以中間第三級池室作為主要研究對象進行水力分析與討論。

2.1 不同底坡池室水力參數對比

在豎縫式魚道的水力設計中,池室最大流速vmax和池室湍動能k是影響過魚效果最主要的水力參數[18]。由于豎縫式魚道在相鄰池室間會產生水位落差,vmax一般出現在豎縫位置附近,而豎縫是魚類進行洄游的必經之地,因此,為使魚類能夠順利通行,vmax必須小于魚的爆發速度[19]。k表示脈動流速的動能,是衡量水流湍動程度的重要指標[20];若魚類上溯路徑中的水流k過大,會導致魚類特別是游泳能力較弱的魚類在上溯過程中難以保持方向,同時增加魚類游泳耗能甚至對魚類造成不同程度的傷害[21],這表明池室中適當的k分布也是魚類成功上溯的關鍵。因此,優化大底坡魚道池室水力分布的主要目標是減小池室最大流速和池室湍流。

表1 不同底坡最大流速和平均湍動能下降率

2.2 豎縫隔板對池室水力特性的影響

為了進一步闡明豎縫隔板對魚道池室流場分布的影響機理,選取第三級池室距底板0.03m(豎縫隔板下方水深處,除h=0m時)及0.15m(豎縫隔板上方水深處)的水平面作為主要研究對象,具體分析了底坡為1/20時,不同豎縫隔板配置方式在Q=19.36m3/h和Q=10.23m3/h(Q為魚道入口流量)下的池室水力特性分布。

2.2.1流態

圖5為不同流量條件下豎縫隔板不同配置方式的三維流線分布:當豎縫處無隔板時(圖5(a)(e)),水流通過上游豎縫后,以射流的形式進入池室,并沿池室隔板導角方向向前流動,射流到達池室中心后受下游擋板墩頭影響,其斷面逐漸收縮并同時折向下游豎縫進入下一級池室,呈現出反S形的主流,并在主流兩側產生了兩個尺度相當的回流區;而對于大底坡和流量較大的情況,這種流型的主流流速(0.5～0.6m/s)過大,會導致魚類上溯耗能的增加并不利于游泳能力較弱的魚類通行。豎縫處設置隔板后(圖6(b)(c)(d)(f)(g)(h)),水流也以射流形式流入池室,但整體流動模式發生了顯著變化:豎縫隔板的存在改變了射流流向,形成了利用池室整體容積進行低湍流能量轉換、自身回轉的主流,使得主流路徑更加彎曲并呈Ω形,該流型通過射流混合消能的方式,可有效延長大底坡、大流量條件下的水流能量耗散距離,在池室內形成面積較大的低流速區(0.25～0.35m/s),使魚類能以持續游泳速度和耐久游泳速度相交替的游泳方式[22]游過各級魚道池室,有利于減小魚類上溯耗能;同時,在池室的上游角和主流的凸出部分產生了兩個尺度不一的回流區,給魚類洄游提供休息區域。而改變豎縫隔板安裝高度,流態呈現相似的分布規律。

圖6 不同水深處池室流速分布

圖6為Q=19.36m3/h時豎縫隔板不同安裝情況下不同水深處的池室流速分布。與無隔板相比,3種隔板安裝高度下的池室流速都顯著下降,且具有相似的分布情況;當h為0時,在0.03m水深處(圖6(b)),由于豎縫隔板的阻擋,其豎縫下游處的流速分布較緩;而豎縫隔板上下水深處的流速分布(圖6(c)(d)(f)(g)(h))大體保持一致,這表明改變豎縫隔板安裝高度,對其上下水深處的流速分布無顯著影響。

2.2.2主流區水力特性

圖7 最大流速軌跡線

圖8 最大流速沿程分布曲線

2.2.3豎縫斷面流速

分析發現,不同流量條件下豎縫斷面流速分布規律具有較好的相似性。因此,圖9僅給出了Q=19.36m3/h時H=0.03m和H=0.15m處豎縫斷面流速沿豎縫寬度b方向的分布規律。在豎縫處設置隔板使豎縫中間位置(b′/b=0.3～0.9,其中b′為豎縫上的點到隔板的距離)的流速顯著下降,而對靠近兩側擋板處的流速影響較小;同時,當h=0m時,魚道底部由于豎縫隔板的阻擋,使得魚道底部(H=0.03m)豎縫流速為0,因此圖9(a)未給出其流速分布,當h=0.04m時,對豎縫隔板上方水深處(H=0.15m)的流速影響較小,當h=0.08m時,豎縫隔板上下水深處(H=0.03m、0.15m)的流速都有明顯降低,這表明豎縫隔板能顯著減小其安裝位置附近水深處的豎縫斷面流速,且h越大,這種影響范圍也越大。基于此,初步認為可將隔板安裝在豎縫的中上方水深處,以保障魚類能夠更加順利地通過豎縫完成洄游。

圖9 不同水深處豎縫斷面流速分布

2.2.4湍動能

圖10為Q=19.36m3/h時豎縫隔板不同安裝情況在不同水深處的池室湍動能分布:不同工況池室湍動能的分布與其所對應的池室流型分布具有較好的一致性;在不同水深處(除豎縫隔板阻擋水深處),湍動能最大值均出現在豎縫附近,同時水流通過豎縫后由于主流區流速較大,兩側回流區流速較小,造成主流邊界流速梯度較大,因此在主流及其左右邊界的剪切區域亦表現出較大的湍動能,并隨著水深的增加,池室中湍動能的分布規律大致相同,但相同位置的湍動能有所增大;與無隔板相比,豎縫處設置隔板可降低池室湍動能的大小,并使其在豎縫下游位置區域內迅速衰減,產生連續的低湍動區域(0.007～0.01J/kg),這給魚類特別是游泳能力較弱的魚類提供了一個較好的上溯條件;同流速分布一樣,改變豎縫隔板安裝高度,對豎縫隔板上下水深處池室湍動能的分布規律無顯著影響。

圖10 不同水深處池室湍動能分布

2.2.5應變率

應變率(sr)為水流各方向速度梯度的絕對值之和。相關研究[24-25]認為水流速度梯度的大小是影響魚類側線系統感知水流刺激并產生運動的重要因素,因此,應變率也是研究魚道水力特性的重要參數之一。圖11為Q=19.36m3/h時不同隔板安裝情況下不同水深處的池室應變率分布。與池室湍動能分布一樣,應變率分布也取決于池室流型的分布,并沿主流兩側邊界有逐漸減小的趨勢;同時在豎縫位置內側以及靠近豎縫處下游位置的兩側呈現相對較大的數值,即在這些區域水流速度變化顯著、流速梯度大(豎縫隔板阻擋水深處除外);設置豎縫隔板會使應變率的分布在豎縫下游處發生偏轉,但對應變率的大小沒有顯著影響,這表明魚類能在小流速和低湍動的水流條件下感知到相同的水流刺激向前運動,可促進魚類的洄游上溯;而改變豎縫隔板的安裝高度,對豎縫隔板上下水深處應變率的分布規律無明顯影響。