環(huán)形波紋鋼管涵洞式魚道水力特性數(shù)值模擬

劉桐渤，閆 濱，王鐵良

(1.大連市莊河市水務(wù)局,遼寧大連 116400；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,沈陽(yáng) 110866)

環(huán)形波紋鋼管涵洞式魚道水力特性數(shù)值模擬

劉桐渤1，閆 濱2，王鐵良2

(1.大連市莊河市水務(wù)局,遼寧大連 116400；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,沈陽(yáng) 110866)

環(huán)形波紋鋼管涵洞式魚道內(nèi)波紋的粗糙度可以使邊界附近產(chǎn)生足夠低的流速,魚類可以由此游向上游。對(duì)3種流量0.05,0.07,0.09 m3/s,3種埋深0D,0.1D,0.2D,坡度0.4%工況下,環(huán)形波紋鋼管涵洞式魚道內(nèi)水面線、流速場(chǎng)和紊流場(chǎng)分布分別進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明:環(huán)形波紋鋼管涵洞中,高流速區(qū)(無(wú)量綱流速大于0.9)位于涵洞過(guò)水?dāng)嗝嬷行膮^(qū)域,高紊流區(qū)(紊流強(qiáng)度大于0.2)位于水面中心附近。在涵洞底部邊壁附近較大區(qū)域內(nèi),由于流速較小,紊流強(qiáng)度也較低(紊流強(qiáng)度小于0.1),魚類可以由此順利完成上溯。相比無(wú)埋深式涵洞,嵌入式涵洞內(nèi)平均流速較小,紊流強(qiáng)度變化較為平緩,更有利于魚類的洄游。

數(shù)值模擬；水力特性；魚道；波紋鋼管涵洞；粗糙度；高流速區(qū)；高紊流區(qū)

2015,32(11):25-29,39

1 研究背景

大多數(shù)魚類都有在一定季節(jié)溯流而上遷移洄游的習(xí)性,這對(duì)于維持魚類種群和所處生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要。因而,在魚類棲息的河流與道路、堤防或其他溪流交匯處,常修建涵洞等交叉建筑物。

國(guó)外涵洞的設(shè)計(jì)一方面要求滿足輸水需求,另一方面必須保證魚類順利通過(guò)涵洞[1]。在加拿大,涵洞式魚道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是獲得設(shè)計(jì)條件下涵洞內(nèi)特定的平均流速,且該流速不得超過(guò)當(dāng)?shù)佤~類物種的游泳能力[2]。波紋鋼管涵洞過(guò)水?dāng)嗝娴拇蟛糠謪^(qū)域水流流速低于平均流速,適合魚類上溯洄游[3]。特別是波紋鋼管中波紋的粗糙度可以在邊界附近產(chǎn)生足夠低的流速,即使涵洞內(nèi)的平均流速超出了魚種的游泳能力,魚類仍然可以由此游向上游[4]。因而,波紋鋼管涵洞式魚道在國(guó)外應(yīng)用十分廣泛,過(guò)魚效果也比較理想。

適宜的水深、流速和紊流條件是輔助魚類順利通過(guò)魚道完成洄游的必要條件。將涵洞進(jìn)口內(nèi)底置于正常河床高程以下(嵌入式涵洞)或使涵洞在回水條件下運(yùn)行(淹沒式涵洞)可大大降低涵洞內(nèi)的水流流速,顯著增加涵洞內(nèi)低于平均流速的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,改善過(guò)魚條件[1]。若魚道內(nèi)水流紊動(dòng)過(guò)大,魚類將會(huì)迷失方向,體能消耗過(guò)快,從而無(wú)法順利上溯[5]。常用紊動(dòng)能、紊流強(qiáng)度等來(lái)描述紊流。Hunt等[6](2010)分析了環(huán)形波紋鋼管涵洞內(nèi)的紊動(dòng)能分布,發(fā)現(xiàn)橫斷面內(nèi)最大紊動(dòng)能位置與順?biāo)飨虻土魉賲^(qū)域的位置密切相關(guān)；涵洞進(jìn)口附近紊動(dòng)能顯著大于流場(chǎng)充分發(fā)展區(qū)域的紊動(dòng)能。Abbs等[1](2007)研究發(fā)現(xiàn),環(huán)形波紋鋼管涵洞在邊界附近紊流強(qiáng)度較高,而水流中心區(qū)域紊流強(qiáng)度較低。最大紊流強(qiáng)度出現(xiàn)在涵洞進(jìn)口過(guò)水?dāng)嗝娴纳辖瞧掠翁嶽7]；盡管這些區(qū)域的局部紊流強(qiáng)度值很高,當(dāng)水流加速流入涵洞時(shí),仍有一個(gè)很大的低紊流強(qiáng)度的中央核心區(qū)域；涵洞內(nèi)底嵌入河床不會(huì)降低涵洞進(jìn)口處的紊流強(qiáng)度峰值,但是在距離進(jìn)口約一倍洞徑以外紊流強(qiáng)度有所減小。Enders等[8]發(fā)現(xiàn)紊流強(qiáng)度會(huì)影響魚類游泳的消耗。試驗(yàn)表明,紊流強(qiáng)度的影響約占幼鮭游泳總消耗的14%；隨著水溫、魚體質(zhì)量、平均流速和流速標(biāo)準(zhǔn)差的增加,幼鮭游泳總消耗量也在增加[9]。Smith等[10]利用幼年虹鳉魚進(jìn)行試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)在一定平均流速范圍內(nèi),魚類樂于聚集在低紊流區(qū)域；魚類常避開紊流強(qiáng)度較高的低流速區(qū)域；只有出現(xiàn)過(guò)大的平均流速時(shí),魚類才會(huì)占據(jù)高紊流區(qū)。

波紋鋼管涵洞在我國(guó)高速公路(如青藏公路)、鐵路、堤壩輸水和舊橋涵加固中已有應(yīng)用,但尚未考慮兼做魚道使用。我國(guó)常用混凝土管或鋼筋混凝土管作為河道交叉建筑物,涵洞設(shè)計(jì)僅以滿足過(guò)流能力為準(zhǔn)則,尚未考慮過(guò)魚需求。此種涵管的長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)水體產(chǎn)生腐蝕作用；且其內(nèi)壁粗糙度不夠,流速過(guò)大,必將嚴(yán)重阻礙魚類洄游。而波紋鋼管涵洞造價(jià)低、材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)、耐腐蝕、低碳環(huán)保、施工安裝便捷,且適于通車,因此在歐美等國(guó)家應(yīng)用非常廣泛。我國(guó)魚道的主要過(guò)魚對(duì)象為珍貴魚類、鯉科魚類和蝦蟹等。波紋鋼管涵洞內(nèi)波紋附近流速較低,適合我國(guó)魚類通行。隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施扶持力度的不斷增強(qiáng),波紋鋼管涵洞式魚道在我國(guó)必將有廣闊的應(yīng)用前景。

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)波紋鋼管涵洞式魚道水力特性的研究比較少見。本文利用數(shù)值模擬方法,分析直徑500 mm的環(huán)形波紋鋼管涵洞在3種流量、3種埋深情況下,隨著水流向下游推進(jìn),魚道內(nèi)的水面線變化,以及無(wú)量綱流速和紊流強(qiáng)度的沿程分布,藉此深入剖析波紋鋼管涵洞內(nèi)水流的水力特性和魚類的生存環(huán)境,以便采取適宜的措施改善魚類生活環(huán)境,為維持水生態(tài)系統(tǒng)平衡,實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧共處創(chuàng)造條件。

2 數(shù)值模擬控制方程及模型

本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型建立波紋鋼管涵洞式魚道的數(shù)學(xué)模型,對(duì)波紋鋼管涵洞式魚道內(nèi)的水流進(jìn)行三維數(shù)值模擬。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型控制方程組

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型求解流動(dòng)及換熱問(wèn)題時(shí),控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、k方程和ε方程等。若不考慮熱交換的單純流場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題,則不需要包含能量方程。若考慮傳質(zhì)或有化學(xué)變化的情況,則應(yīng)再加入組分方程。這些方程都可表示成如下通用形式:

使用散度符號(hào),上式記為

式中:?為通用變量,可以代表u,v,w,T等求解變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。

三維直角坐標(biāo)系下,與通用形式(1)對(duì)應(yīng)的k-ε模型的控制方程見表1。

2.2 VOF模型

水流進(jìn)入涵洞后,由于過(guò)水面積變小,水流流態(tài)發(fā)生變化,水流在橫向、縱向和垂向都具有水流流速,水流與空氣的接觸面積特別大,流動(dòng)屬于典型的水氣兩相流。VOF模型通過(guò)求解單獨(dú)的動(dòng)量方程和處理穿過(guò)區(qū)域的每一流體的體積分?jǐn)?shù)來(lái)模擬2種或3種不能混合的流體。因此在本文計(jì)算中采用VOF模型來(lái)處理水氣交界面。VOF模型的控制方程如下所示。

通用控制方程:

連續(xù)性方程:

動(dòng)量方程:

能量方程:

表1 通用形式k-ε模型的控制方程Table 1 Control equations of k-ε model corresponding to the general form

2.3 模型網(wǎng)格與邊界條件

該數(shù)值模擬模型采用直徑為500 mm,長(zhǎng)度為8 m,波紋尺寸為68 mm×17 mm的波紋鋼管,在3種埋深,1種坡度和3種流量下分別進(jìn)行數(shù)值模擬。即:①坡度為0.4%；②埋深為無(wú)埋深(0D)、0.1D埋深、0.2D埋深,其中D為涵洞直徑；③流量為0.05, 0.07,0.09 m3/s。

魚道的結(jié)構(gòu)布置見圖1。魚道頂端有開孔,因此可以滿足通行魚類對(duì)光線的要求。

圖1 魚道結(jié)構(gòu)布置Fig.1 Structural layout of the fishway

模型網(wǎng)格采用線、面、體的順序進(jìn)行劃分, Interval size的值分別設(shè)置為40,1 600,640 000 mm。

在邊界條件設(shè)置時(shí),將波紋鋼管涵洞進(jìn)口有水流部分設(shè)置成流速進(jìn)口,涵洞進(jìn)口空氣部分和涵洞內(nèi)水流上部切面設(shè)置為壓力進(jìn)口,涵洞出口部分設(shè)置為壓力出口。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

依據(jù)上述數(shù)值模擬模型,對(duì)不同工況下波紋鋼管涵洞式魚道內(nèi)的水面線、流速場(chǎng)和紊流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。

3.1 水面線

流量0.05 m3/s,坡度0.4%,埋置深度分別為0D,0.1D和0.2D情況下,涵洞內(nèi)縱向中心剖面水面線見圖2。

由圖2(a)知,在流量和坡度相同,不同埋置深度的情況下,涵洞內(nèi)水面線的走勢(shì)大致是相同的。3種工況下,水流在進(jìn)入涵洞后,水面線均下降,在距離涵洞進(jìn)口0.5 m處左右的位置水面線開始回升,并且,在距離涵洞進(jìn)口4 m處左右,水面線趨于穩(wěn)定,涵洞內(nèi)水流流態(tài)穩(wěn)定,呈均勻流流態(tài),并在涵洞出口處自由出流。

圖2 不同埋深情況下涵洞內(nèi)水面線比較(流量0.05 m3/s，坡度0.4%)Fig.2 Water levels in the culvert of different embedded depths(flow rate 0.05m3/s，slope gradient 0.4%)

由圖2(b)知,在流量和坡度相同的情況下,嵌入式涵洞進(jìn)口處水位雍高了。由于涵洞內(nèi)水流流量不變,水位雍高后,過(guò)水?dāng)嗝婷娣e增加,相應(yīng)地,涵洞內(nèi)平均流速降低。可見,流量和坡度一定的情況下,嵌入式涵洞比無(wú)埋深式涵洞,更利于魚類上溯洄游。

涵洞無(wú)埋深(0D),坡度0.4%,流量分別為0.05, 0.07,0.09 m3/s情況下,涵洞內(nèi)水面線見圖3。其中粗實(shí)線,細(xì)實(shí)線和點(diǎn)劃線分別對(duì)應(yīng)流量0.05, 0.07,0.09 m3/s。

圖3 不同流量情況下涵洞內(nèi)水面線比較(埋深0D，坡度0.4%)Fig.3 Water levels in the culvert at different flow rates (non-embedded，slope gradient 0.4%)

由圖3可知,在涵洞坡度和進(jìn)口埋深一定的情況下,流量越大,涵洞進(jìn)口處水深也越大,涵洞內(nèi)水面線也越高。

3.2 沿涵洞縱向各斷面無(wú)量綱流速等值線云圖

為突出顯示涵洞內(nèi)流速較大(流速大于平均流速)區(qū)域,將斷面內(nèi)的流速值與正常水深下涵洞內(nèi)的流速值相比,就得到涵洞縱向各斷面無(wú)量綱流速等值線云圖。

流量0.05 m3/s,坡度0.4%,無(wú)埋深和0.1D埋深的涵洞內(nèi),與進(jìn)口不同距離x處各斷面無(wú)量綱流速等值線云圖見圖4。

圖4 不同埋深情況下涵洞沿程橫斷面無(wú)量綱流速等值線云圖(0.05 m3/s，0.4%)Fig.4 Contours of dimensionless flow velocity at cross sections along the culvert of different embedded depths (flow rate 0.05m3/s，slope gradient 0.4%)

由圖4可見,相同流量和坡度時(shí),無(wú)埋深(0D)和0.1D埋深涵洞對(duì)比,后者水位明顯壅高,邊壁附近無(wú)量綱流速明顯降低,較高流速(無(wú)量綱流速v＞0.9)區(qū)域面積顯著減小?？梢?將涵洞進(jìn)口埋置于天然河床高程以下形成嵌入式涵洞,可以有效地降低涵洞內(nèi)的水流流速,尤其是邊壁附近的流速,改善涵洞內(nèi)的水流流態(tài),有利于魚類的上溯洄游。

對(duì)嵌入式涵洞(圖4(a2至d2)),相同流量和坡度情況下,順?biāo)鞣较?涵洞內(nèi)無(wú)量綱流速較大區(qū)域(v＞0.9)的面積逐漸減小,涵洞邊壁附近低無(wú)量綱流速區(qū)域面積逐漸增大,魚類可以由此游向上游。

對(duì)無(wú)埋深涵洞(圖4(a1至d1)),高無(wú)量綱流速區(qū)占據(jù)了過(guò)水?dāng)嗝娴拇蟛糠謪^(qū)域,僅在邊壁附近還存在較小范圍的低流速區(qū)；從涵洞進(jìn)口到斷面x=1.5 m處,在水面附近存在流速較低區(qū)域。自斷面x=4 m處之后,無(wú)量綱流速等值線云圖幾乎不發(fā)生變化,表明涵洞內(nèi)流態(tài)已趨于穩(wěn)定。

對(duì)嵌入式涵洞,從進(jìn)口起涵洞邊壁及水面附近水流流態(tài)充分發(fā)展,至斷面x=1.5 m處,水流流態(tài)漸趨平穩(wěn)；自斷面x=4 m處之后,涵洞內(nèi)水流穩(wěn)定,進(jìn)入均勻流流態(tài)。

3.3 沿涵洞縱向各斷面紊流強(qiáng)度分布

流量0.05 m3/s,坡度0.4%,無(wú)埋深和0.1D埋深的涵洞縱向各斷面紊流強(qiáng)度等值線云圖見圖5。

圖5 不同埋深情況下涵洞沿程橫斷面紊流強(qiáng)度等值線云圖(0.05 m3/s，0.4%)Fig.5 Contours of turbulence intensity at cross sections along the culvert of different embedded depths (flow rate 0.05m3/s，slope gradient 0.4%)

由圖5可見,對(duì)于嵌入式涵洞,在進(jìn)口處高紊流區(qū)位于涵洞過(guò)水?dāng)嗝娴淖笊戏?隨著水流向下游推移,水流流態(tài)不斷發(fā)展,高紊流區(qū)逐漸向右、向上偏移,面積不斷擴(kuò)大,到x=1 m斷面以后,高紊流區(qū)穩(wěn)定分布在水面中心位置。

對(duì)于無(wú)埋深的涵洞,僅在進(jìn)口附近(x=0.25 m)高紊流區(qū)位于水面中心偏右方,之后,隨著水流向下游推移,高紊流區(qū)穩(wěn)定分布在水面中心位置。

不論進(jìn)口有無(wú)埋深,沿涵洞縱向向下游,涵洞底部低紊流區(qū)(i＜0.1)的面積均在不斷擴(kuò)大。直至斷面x=4 m處,低紊流區(qū)面積逐步趨于穩(wěn)定。沿涵洞底部邊壁附近較大區(qū)域內(nèi),由于流速較小,紊流強(qiáng)度也較低,魚類可以由此順利完成上溯。

從涵洞進(jìn)口到斷面x=2 m處,有、無(wú)埋深涵洞在過(guò)水?dāng)嗝嫔喜课闪鲝?qiáng)度變化梯度差別不大；但從斷面x=3 m處起,嵌入式涵洞過(guò)水?dāng)嗝嫔喜课闪鲝?qiáng)度變化梯度明顯緩于無(wú)埋深式涵洞,即紊流變化較為平緩。這表明,涵洞進(jìn)口嵌入河床高程以下可能會(huì)對(duì)4倍洞徑以后的涵洞內(nèi)紊流流態(tài)有所改善。

0.1D埋深情況,順?biāo)鞣较?紊流強(qiáng)度在x=1 m處達(dá)到最大,imax=0.23；高紊流區(qū)面積(i≥0.2)在該處也達(dá)到最大。之后,較高紊流區(qū)面積逐漸減小,在x=3 m斷面附近高紊流區(qū)面積最小。然后,高紊流區(qū)面積又有所回升,直至斷面x=6 m以后,較高紊流區(qū)面積才逐步趨于穩(wěn)定。

對(duì)無(wú)埋深(0D)涵洞,從進(jìn)口到x=0.75 m斷面附近,高紊流區(qū)(i≥0.2)面積逐漸增大。從x= 0.75 m斷面以后,高紊流區(qū)面積逐漸減小,在x=2 m處達(dá)到最小值。之后,高紊流區(qū)面積又逐漸擴(kuò)大,直至x=6 m斷面以后,紊流才逐步趨于穩(wěn)定。

從涵洞進(jìn)口到斷面x=2 m處,無(wú)埋深涵洞(0D)低紊流區(qū)(i≤0.1)面積大于0.1D埋深的涵洞。而在斷面x=3 m以后,正好相反,0.1D埋深涵洞內(nèi)低紊流區(qū)(i≤0.1)面積大于無(wú)埋深(0D)涵洞情況,有利于魚類的洄游。這再次表明,嵌入式涵洞對(duì)4倍洞徑以后的涵洞內(nèi)紊流流態(tài)會(huì)有所改善。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同流量、埋深工況下,環(huán)形波紋鋼管涵洞式魚道內(nèi)的水面線變化、流速沿程分布以及紊流強(qiáng)度在進(jìn)出口及洞身的變化趨勢(shì)。研究結(jié)果表明,涵洞式魚道過(guò)水?dāng)嗝嬷行膮^(qū)域流速較高,紊流強(qiáng)度較低；水面中心附近紊流強(qiáng)度較高,水流流速較低。而在涵洞底部邊壁附近,流速較小,紊流強(qiáng)度也較低,最適合作為魚類上溯洄游的通道。與無(wú)埋深式涵洞相比,嵌入式涵洞內(nèi)平均流速較小,紊流強(qiáng)度的變化也比較平穩(wěn),有利于魚類的洄游。但嵌入式涵洞僅對(duì)4倍洞徑以后的涵洞內(nèi)紊流流態(tài)有所改善。

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(編輯:劉運(yùn)飛)

Numerical Simulation on Hydraulic Characteristics of Culvert Fishway with Annular Corrugated Steel Pipe

LIU Tong-bo1,YAN Bing2,WANG Tie-liang2
(1.Water Affairs Bureau of Zhuanghe of Dalian City,Dalian 116400,China；2.College of Water Conservancy,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866,China)

The roughness of annular corrugated steel pipe fishway could generate sufficiently low flow velocities near the boundary,which facilitates fishes to immigrate towards the upstream.In this paper,the water surface line,flow velocity field,and turbulent flow field in the annular corrugated steel pipe culvert fishway are simulated under different conditions(flow rate 0.05 m3/s,0.07 m3/s and 0.09 m3/s,embedded depth 0D,0.1D and 0.2D,and slope gradient 0.4%).Results show that high velocity field(dimensionless velocity greater than 0.9)is located in the central area of the cross section of the culvert,and high turbulent flow field(turbulence intensity greater than 0.2) is located near the central area of the water surface.In large areas near the side walls of culvert bottom,due to relatively low velocity,the turbulence intensity is relatively low(less than 0.1)and fishes could complete migration using this passage.Compared with non-embedded culverts,the embedded culvert has lower average velocity and gentle variation of turbulence intensity,therefore it is more conducive to fish migration.

numerical simulation；hydraulic characteristics；fishway；corrugated steel pipe culvert；roughness；high velocity field；high turbulent flow field

TV135；X171.4

A

1001-5485(2015)11-0025-05

10.11988/ckyyb.20140304

2014-04-21；

2014-07-02

遼寧省農(nóng)業(yè)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2012212001)

劉桐渤(1987-),男,遼寧鞍山人,助理工程師,碩士,從事水工結(jié)構(gòu)工程相關(guān)方面的研究,(電話)15804269289(電子信箱) 15040330981@163.com。