同側(cè)豎縫式魚(yú)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

郭維東，孟 文，2，熊守純，賴 倩 ，王 心，張海良，王緒剛，姚慶宇

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽(yáng) 110866；2.莊河市水庫(kù)移民后期扶持工作辦公室，遼寧 莊河 116400；3.葫蘆島市凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 葫蘆島 125000；4.廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610；5.白石水庫(kù)管理局，遼寧 朝陽(yáng) 122000；6.錦凌水庫(kù)管理局，遼寧 錦州 121000;7.撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，遼寧 撫順 113000;8. 綏化市水務(wù)局, 黑龍江 綏化 152000)

同側(cè)豎縫式魚(yú)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

郭維東1，孟 文1，2，熊守純3，賴 倩4，王 心5，張海良6，王緒剛7，姚慶宇8

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽(yáng) 110866；2.莊河市水庫(kù)移民后期扶持工作辦公室，遼寧 莊河 116400；3.葫蘆島市凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 葫蘆島 125000；4.廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610；5.白石水庫(kù)管理局，遼寧 朝陽(yáng) 122000；6.錦凌水庫(kù)管理局，遼寧 錦州 121000;7.撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，遼寧 撫順 113000;8. 綏化市水務(wù)局, 黑龍江 綏化 152000)

魚(yú)道是保證魚(yú)類能順利洄游的過(guò)魚(yú)設(shè)施。通過(guò)豎縫相對(duì)寬度分別為0.05，0.10，0.15，0.30，底坡為10%的魚(yú)道模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。采用可視化顯示及數(shù)據(jù)分析的方法分析不同豎縫相對(duì)寬度、底坡條件下的同側(cè)豎縫式魚(yú)道的水流結(jié)構(gòu)特征。通過(guò)模型模擬，分析水流沿水深方向的流速分布情況、主流區(qū)最大流速沿程分布及沿程衰減情況，以及在不同豎縫相對(duì)寬度和(或)不同流速情況下的紊動(dòng)能分布情況。綜合各物理量的分析，得出豎縫相對(duì)寬度b0/B=0.15、底坡為10%時(shí)，水流在池室內(nèi)能形成較好的適合魚(yú)類洄游的流態(tài)：主流區(qū)水流橫向擴(kuò)散范圍適中，主流區(qū)最大流速沿程均勻衰減，回流區(qū)面積較為對(duì)稱，流速較小。

三維數(shù)值模擬；同側(cè)豎縫式魚(yú)道；流速分布；雷諾應(yīng)力模型；豎縫相對(duì)寬度

1 研究背景

為了保障魚(yú)類生命活動(dòng)的正常進(jìn)行，世界上很多國(guó)家在部分已建的閘、壩等水工建筑物上修建了魚(yú)道，研究資料表明：在現(xiàn)有的魚(yú)道中，魚(yú)類順利通行率不足50%，這一結(jié)論值得全世界予以重視[1]。因此，研究魚(yú)道的相關(guān)特性對(duì)保護(hù)魚(yú)類物種，改善和修復(fù)流域生態(tài)系統(tǒng)的完整性具有重要的指導(dǎo)意義。

魚(yú)類在洄游的過(guò)程中能夠得到充分的休息時(shí)間，但據(jù)統(tǒng)計(jì)，大部分的學(xué)者更多地集中在研究魚(yú)類的持續(xù)游泳能力，而在魚(yú)道設(shè)計(jì)方面，通常將耐久游泳能力速度用于魚(yú)道的設(shè)計(jì)和評(píng)估過(guò)程中?？傊芯康膬?nèi)容雖然不同，但最終的目的都是為了讓魚(yú)道能夠獲得更好的水流流態(tài)，使得魚(yú)道能夠發(fā)揮最大的作用[2]。Lupandin研究了水流紊動(dòng)對(duì)河鱸的游動(dòng)速度影響，指出紊動(dòng)可能減慢魚(yú)類的反應(yīng)，對(duì)中小魚(yú)類洄游的影響更加明顯[3](Barton A F，2003)。故對(duì)豎縫式魚(yú)道的水力特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究，使魚(yú)道設(shè)計(jì)更加優(yōu)化。

國(guó)內(nèi)外對(duì)魚(yú)道物理模型的研究頗有成果。英國(guó)Glasgow大學(xué)的Guiny對(duì)豎縫式魚(yú)道的水力特性和生物特性進(jìn)行過(guò)較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)豎縫式魚(yú)道因其能夠通過(guò)控制其水位的變化而控制池室內(nèi)的流態(tài)，因此該種形式的魚(yú)道能夠適應(yīng)更多種類的魚(yú)類洄游[4]。Larinier團(tuán)隊(duì)對(duì)同側(cè)豎縫式魚(yú)道的紊流特性進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)池室的長(zhǎng)度達(dá)到一定的程度時(shí)，池室內(nèi)的水流基本上是屬于明渠流動(dòng)[5]。孫雙科等學(xué)者以北京市上莊新閘魚(yú)道為原型進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)增設(shè)導(dǎo)板時(shí)可以明顯改善魚(yú)道內(nèi)的水流流態(tài)[6]。浙江工業(yè)大學(xué)董志勇等人對(duì)同側(cè)豎縫式魚(yú)道、異側(cè)豎縫式魚(yú)道均做了系統(tǒng)的物理模型試驗(yàn)研究，并且都做了過(guò)魚(yú)試驗(yàn)。在對(duì)魚(yú)道內(nèi)的水流特征進(jìn)行了分析研究后又給出鯽魚(yú)、河鰻2種魚(yú)類在不同流速區(qū)域內(nèi)的溯游特性[7]。

在魚(yú)道數(shù)值模擬研究方面，國(guó)外大部分研究是對(duì)底坡較大(5%至20%之間)的魚(yú)道進(jìn)行數(shù)值模擬，而國(guó)內(nèi)對(duì)于底坡大于10%的豎縫式魚(yú)道的數(shù)值模擬研究不夠深入。故本文選擇采用三維數(shù)值模型對(duì)豎縫式魚(yú)道水流在較大底坡情況下進(jìn)行模擬，對(duì)豎縫式魚(yú)道水力特性進(jìn)行系統(tǒng)地研究。本研究的意義總結(jié)為如下3點(diǎn)：①為研究豎縫式魚(yú)道水力結(jié)構(gòu)特征提供理論依據(jù)；②探索用數(shù)值模擬的方法研究豎縫式魚(yú)道水流結(jié)構(gòu)特征；③對(duì)豎縫式魚(yú)道進(jìn)行三維數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究底坡較大情況下豎縫處軸向流速對(duì)魚(yú)類洄游的影響。

圖2 不同豎縫相對(duì)寬度工況下的水流流線Fig.2 Streamlines in the presence of different relative width of vertical slot

2 豎縫式魚(yú)道情況簡(jiǎn)介

豎縫式魚(yú)道的過(guò)魚(yú)孔是在水表至水底修建一條豎縫，利用兩側(cè)隔板擋住水流，促使水流從豎縫徑直下泄，該形式魚(yú)道對(duì)魚(yú)類自身的洄游狀態(tài)要求較高，僅適應(yīng)那些自身力量較大，能應(yīng)對(duì)復(fù)雜流態(tài)的魚(yú)類，常用于工程修筑工期及河道的天然障礙處。1992年，N.Rajaratnam等人使用與設(shè)計(jì)丹尼爾魚(yú)道相同的研究方法對(duì)豎縫式魚(yú)道結(jié)構(gòu)形式與理論分析進(jìn)行了深入的研究，得出豎縫式魚(yú)道的無(wú)綱量流表達(dá)式[8]為

Q*=α·y0/b0±γ。

(1)

式中：α和γ是魚(yú)道幾何尺寸的常數(shù);y0表示魚(yú)道池內(nèi)水深;b0表示兩隔板之間豎縫相對(duì)寬度?？梢园?1)式計(jì)算水流條件較為簡(jiǎn)單的豎縫式魚(yú)道的過(guò)流量。

豎縫的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、水流條件不穩(wěn)定，水深較大則可以按照以下公式計(jì)算魚(yú)道過(guò)流量：

Q*=3.77y0/b0-1.11，y0/b0≤10 ；

(2)

Q*=2.84y0/b0-1.62，y0/b0>10 。

(3)

3 模擬方案的制定

各工況下建立的數(shù)值模擬，均采用雷諾應(yīng)力模型。上游進(jìn)口斷面采用速度進(jìn)口邊界(velocity-inlet)條件，下游出口邊界采用壓力出口(Pressure-Outlet)邊界條件，頂面大氣進(jìn)口采用大氣壓力進(jìn)口(Pressure-inlet)邊界條件，邊壁面采用無(wú)滑移邊界條件，為了防止迭代過(guò)程中數(shù)值的發(fā)散和不穩(wěn)定狀況,對(duì)標(biāo)量輸運(yùn)方程、動(dòng)量方程采用了欠松弛技術(shù), 壓力與速度耦合采用半隱式方法SIMPLE算法，時(shí)間步長(zhǎng)0.001s。

取4種豎縫相對(duì)寬度(b0/B),分別為b0/B=0.05，0.1，0.15，0.3，按照不同的豎縫相對(duì)寬度建立幾何模型，劃分計(jì)算網(wǎng)格，對(duì)豎縫處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。數(shù)值模擬魚(yú)道模型池內(nèi)尺寸如圖1所示。

圖1 魚(yú)道池室布置Fig.1 Sketch of fishway pool

4 同側(cè)豎縫式魚(yú)道三維數(shù)值模擬

4.1 水流形態(tài)分析

魚(yú)道池內(nèi)不同的豎縫相對(duì)寬度可導(dǎo)致豎縫處水流的射流形態(tài)有很大的差別，從而影響池室內(nèi)的水流形態(tài)[9]。首先保持水池長(zhǎng)寬比L/B=10∶8(L=50 cm，B=40 cm)、底坡i=10%、短導(dǎo)板B2=8 cm、導(dǎo)角θ不變的條件下，通過(guò)改變長(zhǎng)導(dǎo)板B1的長(zhǎng)度來(lái)改變豎縫相對(duì)寬度，使豎縫相對(duì)寬度b0/B=0.05，0.1，0.15，0.3，不同豎縫相對(duì)寬度的池室內(nèi)水流形態(tài)數(shù)值模擬圖如圖2所示。

池內(nèi)水流在長(zhǎng)導(dǎo)板與短導(dǎo)板的作用下，通過(guò)豎縫從上游流向下游，主流形態(tài)和大小回流區(qū)面積存在較大的差別，池內(nèi)水流的橫向擴(kuò)散度也不同。

觀察不同魚(yú)道水池豎縫相對(duì)寬度條件下的水流形態(tài)發(fā)現(xiàn)，隨著豎縫相對(duì)寬度的增加，主流區(qū)通過(guò)豎縫流向下游池室時(shí)，偏轉(zhuǎn)角度逐漸減小，主流線的曲率隨著豎縫相對(duì)寬度的增加而減小。從主流曲線的偏轉(zhuǎn)角適度程度和回流區(qū)面積大小情況來(lái)看，豎縫相對(duì)寬度b0/B=0.15時(shí)，主流曲線偏轉(zhuǎn)適中，左右回流區(qū)面積較為對(duì)稱，較適合魚(yú)類洄游。

4.2 主流沿程最大流速分布線沿程衰減情況分析

圖3給出了不同豎縫相對(duì)寬度主流區(qū)的最大流速沿程分布情況。

圖3 各工況下主流區(qū)最大流速沿程分布Fig.3 Distribution of maximum flow velocity along the river in the mainstream area in different cases

由圖3給出的各工況下主流區(qū)最大流速沿程分布觀察得知，豎縫相對(duì)寬度的不同影響水流在池室內(nèi)橫向擴(kuò)散，隨著豎縫相對(duì)寬度的增加，主流區(qū)的最大流速沿程逐漸偏向水流中央，流線趨于平緩。豎縫處、池室內(nèi)流線偏轉(zhuǎn)幅度逐漸減弱。同時(shí)，隨著豎縫相對(duì)寬度的增加，速度的縱向衰減程度減小，變化幅度減小。

4.3 紊動(dòng)能分析

圖4 不同工況下的紊動(dòng)能等值線Fig.4 Isolines of turbulence kinetic energy in different working conditions

觀察圖4可知，當(dāng)豎縫相對(duì)寬度很小時(shí)，紊動(dòng)能在長(zhǎng)導(dǎo)板邊緣及前方變化幅度較大，偏向池室左側(cè)，之后紊動(dòng)能較為快速地衰減。在導(dǎo)板邊緣，紊動(dòng)變化幅度較大，不利于過(guò)魚(yú)。對(duì)于目標(biāo)魚(yú)種，理想的水流紊動(dòng)情況要求大部分區(qū)域紊動(dòng)較小，以利于有充分的休息空間，也需要在適當(dāng)?shù)奈恢糜行〔糠值母呶蓜?dòng)區(qū)，這有利于目標(biāo)魚(yú)種感知水流方向，刺激其游泳潛能。豎縫很小，水流穿過(guò)豎縫后，集中在長(zhǎng)導(dǎo)板前，故該處的水流紊動(dòng)較大，不利于過(guò)魚(yú)。隨著豎縫相對(duì)寬度的增加，紊動(dòng)能向池中心偏移和擴(kuò)散。從圖4(b)和圖4(c)得知，主流區(qū)水流的紊動(dòng)能與回流區(qū)紊動(dòng)能銜接順暢，緩慢過(guò)渡，在主流區(qū)左側(cè)的小回流區(qū)內(nèi)存在一個(gè)紊動(dòng)較高的區(qū)域，對(duì)于往上游洄游的魚(yú)種，有利于其在下一個(gè)豎縫之前感知水流動(dòng)能的增大，以猝發(fā)其突進(jìn)力量的產(chǎn)生；同時(shí)，相同豎縫相對(duì)寬度條件下，流速越大，水流的紊動(dòng)能越大，紊動(dòng)能的衰減速度也越快。當(dāng)豎縫相對(duì)寬度增加到0.30時(shí)，紊動(dòng)能在移動(dòng)到短導(dǎo)板前，回流區(qū)的紊動(dòng)能幾乎為0，主流區(qū)內(nèi)紊動(dòng)能也比較微弱，不利于目標(biāo)魚(yú)洄游時(shí)感知游動(dòng)方向。從紊動(dòng)能大小和主流區(qū)與回流區(qū)的紊動(dòng)能過(guò)渡銜接的角度考慮，豎縫寬b0/B=0.15工況對(duì)目標(biāo)魚(yú)種的洄游更為有利。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)整理數(shù)值模擬所得計(jì)算數(shù)據(jù)，從水流形態(tài)、主流最大流速軌跡及其衰減情況、紊動(dòng)能方面，詳細(xì)探討了同側(cè)豎縫式魚(yú)道的水力特性。

(1) 從水流形態(tài)來(lái)看，在底坡、長(zhǎng)寬比相同的條件下，隨著豎縫相對(duì)寬度的增加，主流曲線彎曲度減小，橫向擴(kuò)散程度增大，曲線中心向水池中部移動(dòng)，曲率隨豎縫相對(duì)寬度的增加而減?。煌瑫r(shí)，主流區(qū)兩側(cè)的回流區(qū)面積逐漸分布均勻。在豎縫相對(duì)寬度b0/B=0.15時(shí)，主流曲線偏轉(zhuǎn)適中，左右回流區(qū)面積較為對(duì)稱。豎縫相對(duì)寬度相同時(shí)，底坡對(duì)水流形態(tài)影響微弱。

(2) 從水流流速分布來(lái)看，最大流速出現(xiàn)在豎縫處，并隨著水深的增加，豎縫處的流速逐漸減小。隨著豎縫相對(duì)寬度的增加，池內(nèi)水流的橫向擴(kuò)散減小，流速縱向衰減程度較小，主流最大流速沿程逐漸偏向池中央。

(3) 從紊動(dòng)能來(lái)看，在相同底坡下，隨著豎縫相對(duì)寬度的增大，主流區(qū)紊動(dòng)能逐漸減小。豎縫相對(duì)寬度b0/B=0.15時(shí)，主流區(qū)紊動(dòng)能與回流區(qū)的紊動(dòng)能緩慢過(guò)渡，主流區(qū)的水流擴(kuò)散范圍較大，這有利于消除射流體的動(dòng)能，從而有利于為目標(biāo)魚(yú)類提供更舒適的水流環(huán)境。

綜合以上各物理量的分析，豎縫相對(duì)寬度b0/B=0.15，底坡為10%時(shí)，同側(cè)豎縫式魚(yú)道的水流形態(tài)、流速場(chǎng)、紊動(dòng)能等水力特性更加有利于過(guò)魚(yú)。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

Numerical Simulation to Optimize the Structure ofIpsilateral Vertical Slot Fishway

GUO Wei-dong1, MENG Wen1,2, XIONG Shou-chun3, LAI Qian4, WANG Xin5, ZHANG Hai-liang6,WANG Xu-gang7, YAO Qing-yu8

(1.College of Water Conservancy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China; 2.Late-stage Support Office for Reservoir Immigrants in Zhuanghe City，Zhuanghe 116400, China; 3.Linghe River Reserve Administration in Huludao City, Huludao 125000, China；4.Guangdong Pearl Glory Engineering Design Co., Ltd., Guangdong 510610, China; 5.Administration of Baishi Reservoir, Chaoyang 122000，China; 6.Administration of Jinling Reservoir, Jinzhou 121000, China; 7.Fushun Hydropower Survey and Design Institute, Fushun 113000, China; 8.Suihua Water Affairs Bureau, Suihua 152000, China)

The flow structure in ipsilateral vertical slot fishway is researched by changing the relative width of vertical slot (0.05, 0.10, 0.15, 0.30) and bottom slope 10% in a fishway model. Visual display and data analysis are adopted in the research. Through the simulation, the flow velocity distribution along water depth, the frictional distribution and attenuation of maximum flow velocity in mainstream area, as well as the turbulence kinetic energy distribution in the presence of different relative slot width and different flow velocity are obtained. Results reveal that when vertical slot widthb0/B=0.15 and bottom slope is 10%, flow pattern favorable for fish migration could be formed in the pool: the range of transverse diffusion of flow in mainstream area is moderate, the maximum flow velocity in the mainstream area attenuates uniformly along the way, and the backflow area is symmetrical with small flow velocity.

there-dimensional numerical simulation; ipsilateral vertical slot fishway; flow velocity distribution; Reynolds stress model; relative width of vertical slot

2014-01-16；

2014-03-20

郭維東(1969-)，男，遼寧朝陽(yáng)人，教授，博士,研究方向?yàn)樗W(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究，(電話)13998216708(電子信箱)gwdly@126.com。

孟 文(1987-)，女，遼寧莊河人，助理工程師，碩士,研究方向?yàn)樗W(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究，(電話)13555967090(電子信箱)mengwenhappy@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.011

TV131.2；S956.3

A

1001-5485(2015)02-0048-05

2015,32(02):48-52