豎縫位置對豎縫式魚道水力特性的影響

趙彬如,戴會超,戎貴文,袁 岳

(1.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098; 2.安徽理工大學地球與環(huán)境學院,安徽 淮南 232001)

豎縫位置對豎縫式魚道水力特性的影響

趙彬如1,戴會超1,戎貴文2,袁 岳1

(1.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098; 2.安徽理工大學地球與環(huán)境學院,安徽 淮南 232001)

為了分析豎縫位置對豎縫式魚道池室內水力特性的影響,采用RNGk-ε湍流模型和速度-壓力耦合SIMPLE算法對不同工況的魚道進行了數(shù)值模擬。模擬結果表明:豎縫位置對主流的形態(tài)、主流流速的衰減及豎縫處流速分布影響不大;豎縫位置改變了主流區(qū)在池室內的位置,進而影響回流區(qū)的分布、大小和流場,豎縫位置距池室側壁為池室寬度的25%～35%時,池室內水流流態(tài)較合理,能夠顯著提高過魚效率。

豎縫式魚道;豎縫位置;水力特性;數(shù)值模擬

修建水庫大壩會切斷河流的水文循環(huán)和生態(tài)聯(lián)系,使得河流自然生態(tài)功能嚴重退化,這對需要洄游完成繁殖的魚類會產生巨大的危害[1]。魚道作為典型的過魚建筑物,對減緩大壩的阻隔影響、恢復魚類洄游路徑有重要作用,其中,豎縫式魚道因其結構簡單、過魚效率高、對上下游水位變動的自適應性強等技術特點,在實際工程中得到了廣泛應用。豎縫式魚道利用多級首尾相連、坡度較緩的池室連通上下游水體,上游來水通過豎縫流入下一級池室,水流流經豎縫時形成射流,并在池室內經過擴散、對沖作用進行消能,為魚類上溯提供合適的水流條件。豎縫式魚道的過魚效率與池室內的水流特性有著密切關系,而魚道的細部結構對池室的水流特性有重要影響。

國內外學者對不同結構形式豎縫式魚道的水流特性做了大量研究工作。Rajaratnam等[2-4]對不同結構形式的豎縫式魚道開展了研究,發(fā)現(xiàn)當池室長寬比為1.25時,魚道池室內流態(tài)穩(wěn)定,存在可供魚類休息的較大回流區(qū);Wu等[5]通過試驗研究發(fā)現(xiàn),當豎縫式魚道的坡度小于5%時,速度場表現(xiàn)出水平二維特征,當坡度為10%和20%時,不同水深斷面的流態(tài)呈現(xiàn)差異,表現(xiàn)為三維特征;Thiem等[6-7]在研究豎縫式魚道的過魚能力時,指出加拿大的Vianney-Legendre魚道是世界上為數(shù)不多的成功通過鱘魚的豎縫式魚道之一,并通過放魚試驗,對Vianney-Legendre魚道的過魚效率及通過時間進行了原型觀測;Marriner等[8-9]采用數(shù)值模擬與原型觀測相結合的方法研究了加拿大Vianney-Legendre豎縫式魚道的水力特性,得出魚道內部180°轉彎段嚴重影響了魚道過魚效率的結論,并給出了相應改進措施,之后又對不同結構形式的魚道進行了數(shù)值模擬,表明魚道坡度是影響過魚效率的關鍵因素。國內學者的研究主要有:羅小鳳等[10]分析了豎縫式魚道導角大小及導板長度對魚道內流場的影響,發(fā)現(xiàn)導角越大,豎縫射流的衰減速度越快,主流軌跡的彎曲程度也越大,但導板長度基本上對主流的擴散及衰減沒有影響;邊永歡等[11-12]對豎縫式魚道90°、180°轉彎段水力特性進行了計算研究,得出增設整流導板可改善轉彎段水力特性的結論;徐體兵等[13]研究了豎縫式魚道池室的墩頭長度對水流流態(tài)的影響,結果表明隔板墩頭的設置對水流結構的影響有限,基本可以忽略;張國強等[14]研究了豎縫寬度對豎縫式魚道水流結構的影響,并給出了b/B(b為豎縫寬度,B為池室寬度)的合理取值范圍為0.15～0.20。

圖1 豎縫式魚道平面布置

已有研究主要關注魚道池室的長寬比、導角大小、豎縫寬度及魚道坡度等對水流特性的影響,在豎縫式魚道水流特性的研究成果中,豎縫位置對魚道水力特性影響的報道很少。本文采用數(shù)值模擬方法系統(tǒng)研究豎縫位置對豎縫式魚道水力特性的影響,并探討豎縫位置距魚道側壁的合理取值范圍。

1 數(shù)學模型

已有研究表明,當豎縫式魚道的坡度小于5%時,其流態(tài)具有典型的二元特性[5, 13-15],本文研究的魚道坡度為2%,故采用Fluent軟件建立二維模型來模擬豎縫式魚道的水流特性。

1.1 控制方程

數(shù)值模擬采用能夠更好處理高應變率及流線彎曲程度較大流動的RNGk-ε湍流模型,該模型控制方程的連續(xù)方程、動量方程、k方程和ε方程分別為

(1)

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(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

1.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

數(shù)學模型中布置了5級常規(guī)水池,如圖1所示,池室長L=2.5 m,池室寬B=2 m,豎縫寬度b=0.3 m,豎縫長度a=0.1 m,導角θ=45°,導板和隔板的寬度均為0.2 m,l為豎縫中心到池室右側側壁的距離,并用2l/B表示豎縫在池室中的橫向位置。

對魚道計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分時,在相對設置的隔板迎水面與導板背水面之間的部分(除豎縫部分外)采用三角形網(wǎng)格,網(wǎng)格邊長為0.05 m,其余部分采用四邊形網(wǎng)格,其中池室內部網(wǎng)格邊長為0.05 m,豎縫部分網(wǎng)格邊長為0.02 m。

魚道進口斷面距第1池室2.2 m,出口斷面距第5池室2.2 m,進出口邊界均為速度進口,進口斷面設定恒定入流速度為0.15 m/s,出口斷面設定恒定出流速度為0.15 m/s。魚道單元的壁面邊界法向采用不可入邊界條件,即其法向流速為零,切向采用壁面函數(shù)法來處理。

1.3 計算方法

采用控制體積法對偏微分方程組進行離散,壓力項采用Body Force Weighted格式離散,動量和湍流項采用QUICK格式離散;速度-壓力耦合計算采用SIMPLE算法;為防止迭代過程數(shù)值發(fā)散和不穩(wěn)定,對動量方程、標量輸運方程采用了欠松弛技術;迭代計算的殘差各項數(shù)值均為10-5以下;時間步長取決于網(wǎng)格的空間尺寸及流速大小,本文采用0.01 s。

1.4 模型驗證

采用文獻[16]的物理模型和試驗數(shù)據(jù)對本文建立的上述數(shù)學模型(以下簡稱本文模型)進行驗證。為避免進出口邊界條件對池室內水流流態(tài)的影響,以第3池室作為研究對象,提取池室中間橫斷面上各節(jié)點的流速值,將數(shù)值計算結果與試驗測量數(shù)據(jù)進行對比分析,結果如圖2所示,可見本文模型數(shù)值計算結果與物理模型試驗數(shù)據(jù)吻合良好,說明本文模型能較好地模擬豎縫式魚道的水力特性,可用于研究不同位置布置相同豎縫時池室內的水流流速、流態(tài)等水力特性。

圖2 魚道池室中間橫斷面上流速試驗值與模型計算值

2 豎縫位置對池室內水流流態(tài)的影響

2.1 流場結構分區(qū)

豎縫式魚道的常規(guī)水池內存在兩種水流流態(tài),分別為位于中間位置的主流區(qū)和位于兩側的回流區(qū)。水流經豎縫以射流形式流入池室,射流斷面沿程擴散,在接近下游豎縫時斷面收縮,故流速在縱向上先減小后增大,而橫向上流速從中心向兩側逐漸減小,將射流區(qū)域稱為主流區(qū);位于主流區(qū)兩側的水流分別以相反方向緩慢流動,將這兩部分區(qū)域統(tǒng)稱為回流區(qū),如圖3所示。

圖3 魚道池室內水流流場分布(單位:m/s)

豎縫位置對主流區(qū)的影響表現(xiàn)在主流區(qū)的位置上,主流區(qū)在橫向上的位置與豎縫位置相關,基本處在豎縫位置附近。豎縫位置對回流區(qū)的影響表現(xiàn)在回流區(qū)的形態(tài)上,具體可以分為以下幾類:

a. 當0.3≤2l/B<0.5時,主流區(qū)水流較平順,流線較短;主流區(qū)左右兩側回流區(qū)范圍相差較大,隔板之間的回流區(qū)明顯大于導板之間的回流區(qū),典型水流流態(tài)見圖4(a)。

b. 當0.5≤2l/B<0.8時,主流區(qū)水流偏轉適中,呈現(xiàn)“S”形流線;主流區(qū)左右兩側回流區(qū)大小相當,典型水流流態(tài)見圖4(b)。

c. 當0.8≤2l/B≤0.9時,主流區(qū)水流偏轉較大,流線較長,在2l/B=0.9時,主流會在池室中間碰觸到邊壁,沿邊壁流動一段距離后向右偏轉進入下一級池室;主流區(qū)左右兩側回流區(qū)范圍相差較大,導板之間的回流區(qū)明顯大于隔板之間的回流區(qū),典型水流流態(tài)見圖4(c)。

圖4 不同豎縫位置時魚道池室內的典型水流流態(tài)

2.2 主流區(qū)水流特性

主流區(qū)的位置及流速分布是影響魚類成功上溯的關鍵因素。根據(jù)主流區(qū)的位置不同,魚道池室內的水流特性大致分為3類:主流區(qū)偏向、主流區(qū)居中和主流區(qū)貼壁?？紤]到貼壁流的不利流態(tài)會影響魚類上溯,故在魚道設計中應避免主流區(qū)出現(xiàn)貼壁流的不利流態(tài),根據(jù)觀察發(fā)現(xiàn),最大流速位置分布曲線(最大流速指各橫斷面上的最大流速)與主流區(qū)中心線基本重合,故可通過最大流速位置分布曲線的變化規(guī)律來研究豎縫位置對主流區(qū)位置的影響;洄游魚類在豎縫式魚道中沿主流區(qū)上溯,主流區(qū)的流速分布及流速衰減速度與魚類上溯過程中的體能消耗、上溯時間及是否成功上溯有著密切關系,一般而言,主流區(qū)的流速應大于洄游魚類的感應流速,同時應保證池室內主流區(qū)最大流速不超過魚類運動時的爆發(fā)游泳速度,考慮到主流區(qū)射流斷面中心位置流速始終保持斷面最大值,且射流斷面中心位置的流速能反映出主流區(qū)在該斷面處的流速值量級,故用最大流速沿程變化曲線來反映主流區(qū)的流速分布。

圖5、圖6分別給出了不同豎縫位置時的主流區(qū)最大流速位置分布曲線及最大流速沿程變化曲線,其中vmax為各橫斷面上最大流速,Vmax為所有橫斷面上最大流速的最大值。

圖5 主流區(qū)最大流速位置分布曲線

圖6 主流區(qū)最大流速沿程變化曲線

由圖5可知:①橫向上,主流區(qū)最大流速所在位置在豎縫位置附近。②不同豎縫位置時的主流區(qū)最大流速位置分布曲線相似,都是在x/L=0.08左右向池室左側偏轉,即主流流經豎縫后順著導板的墩頭向池室左側偏轉,在中間段最大流速位置分布曲線偏轉達到最大且較順直,在x/L=0.64左右軌跡線向池室右側偏轉進入下一級池室。③豎縫位置不同,最大流速位置分布曲線進入順直段的位置不同,當2l/B=0.3時,曲線在x/L=0.28處進入順直段;當2l/B=0.4、0.5時,曲線在x/L=0.36處進入順直段;當2l/B=0.6、0.7、0.8時,曲線在x/L=0.44處進入順直段;當2l/B=0.9時,曲線在x/L=0.48處進入順直段,即豎縫位置越靠近中間,最大流速位置分布曲線進入順直段的距離越遠,順直段長度越小。④當2l/B=0.9時,曲線在x/L=0.48～0.64范圍內y/B接近0.8,主流區(qū)出現(xiàn)貼壁流的不利流態(tài)。

由圖6可知:①豎縫位置的變化對最大流速沿程變化基本沒有影響,這與羅小鳳等[10]得出的結論一致,最大流速沿程呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化規(guī)律,流速沿程衰減效果顯著,且池室內最大流速出現(xiàn)在x/L=0.08處,即豎縫偏下游處。②當0.4≤2l/B≤0.9時,主流區(qū)最大流速沿程變化曲線基本趨于一致,其中當0.7≤2l/B≤0.9時,最大流速曲線在x/L=0.92處出現(xiàn)一個峰值,這是因為當0.7≤2l/B≤0.9時,主流偏向池室左側流動,在進入下一級池室前,受隔板的阻擋作用,主流流線發(fā)生彎曲并開始密集,進而導致隔板處流速增大;當2l/B=0.9時,主流在前半段與周圍水體摻混較強,故速度衰減較快,之后主流貼近邊壁流動,由于受到束縛流速開始增大,如圖4(c)所示。③當2l/B=0.3時,最大流速衰減較慢,這是由于當2l/B=0.3時,主流平順,與周圍水體摻混較弱,無法充分消能。

結合魚類對主流區(qū)水流流態(tài)的需求,考慮到2l/B=0.9時的貼壁流流態(tài)及2l/B=0.3時流速衰減較慢,豎縫位置2l/B宜取0.4～0.8。

2.3 回流區(qū)水流特性

回流區(qū)流速較緩,可在魚類上溯過程中提供休息空間,為保證魚類可以在回流區(qū)較好地休息且不影響正常上溯,回流區(qū)內的流速需小于魚類的感應流速,否則魚類會因自身逆流而上的特性而在回流區(qū)內游動,不僅不利于休息,還會影響魚類的正常上溯;同時回流區(qū)不宜過大,因為過大的回流區(qū)會使魚類迷失方向而無法游出該區(qū)域,影響過魚效率。以下對不同豎縫位置時回流區(qū)水流特性進行定量分析,回流區(qū)參數(shù)如表1所示。

表1 回流區(qū)參數(shù)

注：Lc、Bc分別為回流區(qū)長度和寬度(分別用回流區(qū)的最大長度與寬度表示);vcmax為回流區(qū)最大流速。

由表1可見:①豎縫位置越靠近中間,左側回流區(qū)越小、右側回流區(qū)越大,回流區(qū)影響域LcBc/LB的范圍為0.06～0.52。②當0.3≤2l/B≤0.4和0.8≤2l/B≤0.9時,左右兩側回流區(qū)范圍相差較大,大回流區(qū)約是小回流區(qū)的4～8倍;當0.5≤2l/B≤0.7時,左右兩側回流區(qū)大小相當,大回流區(qū)約是小回流區(qū)的1.5倍。③當0.3≤2l/B≤0.7時,豎縫位置越靠近中間,左側回流區(qū)的長寬比Lc/Bc越大,即回流區(qū)形狀越扁平;當2l/B≥0.8時,左側回流區(qū)受主流影響位于池室前半段,Lc變小,故Lc/Bc開始變小;右側回流區(qū)的Lc/Bc隨著2l/B的增大而減小。④左右兩側回流區(qū)的最大流速與回流區(qū)大小有關,回流區(qū)大小相當,最大流速值也相當;反之,回流區(qū)相差較大,最大流速值也相差較大。

由于文本不針對具體魚類,故只從回流區(qū)的流速和范圍不宜過大考慮,豎縫位置2l/B宜取0.5～0.7。

2.4 豎縫斷面處流速分布

豎縫斷面處水流流動相對急劇,魚類需以爆發(fā)游泳速度穿越豎縫,故豎縫斷面的水力特性研究對提高過魚效率具有重要意義。為分析豎縫位置對豎縫處流速分布的影響,圖7給出了豎縫中心斷面流速分布曲線(圖中va為豎縫中心斷面的平均流速,v′為豎縫中心斷面上距斷面?zhèn)冗吘嚯x為b′位置處的速度)。結果表明:豎縫位置對豎縫處流速分布沒有影響,不同豎縫位置時,豎縫中心斷面流速分布曲線相似,均呈現(xiàn)中間大、兩側小的特點,低流速區(qū)為游泳能力弱的魚類提供了上溯通道。當2l/B=0.3時,豎縫左側的v′/va較其他位置偏大,這是由于2l/B=0.3時,水流經過豎縫時較平順,流線分布均勻。

圖7 豎縫中心斷面流速分布曲線

3 結 論

a. 豎縫位置改變了主流區(qū)的位置,當0.4≤2l/B≤0.8時,豎縫位置對主流區(qū)的水流形態(tài)基本沒有影響,在2l/B>0.8后,主流區(qū)會出現(xiàn)貼壁流的不利流態(tài)。

b. 豎縫位置對回流區(qū)的影響體現(xiàn)在回流區(qū)的分布、大小及流速3個方面,考慮回流區(qū)的流速和范圍不宜過大,豎縫位置2l/B宜取0.5～0.7。

c. 豎縫位置對豎縫處流速分布影響不明顯,不同豎縫位置時,豎縫中心斷面流速分布曲線相似,均呈現(xiàn)中間大、兩側小的特點。

d. 豎縫式魚道豎縫位置的最佳取值范圍宜為2l/B=0.5～0.7,即豎縫位置距池室側壁為池室寬度的25%～35%時,池室內水流流態(tài)更合理,可進一步提高豎縫式魚道的過魚效率。

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Effectofslotpositiononhydrauliccharacteristicsofverticalslotfishway

ZHAO Binru1, DAI Huichao1, RONG Guiwen2, YUAN Yue1

(1.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

In order to investigate the effects of slot position on the hydraulic characteristics of a vertical slot fishway pool, the RNGk-εturbulence model and velocity-pressure coupling SIMPLE algorithm were used to numerically simulate the fishway under different working conditions. The results indicate that the slot position rarely influence the pattern of mainstream flow, the attenuation of velocity along main stream, and the velocity distribution at the vertical slot section. The slot position affects the distribution, area, and flow field of the recirculation zone by changing the location of the mainstream zone. When the distance between the vertical slot and the sidewall is 25% to 35% of the pool width, the flow pattern in the fishway is reasonable and the efficiency of fish passing is significantly improved.

vertical slot fishway; vertical slot position; hydraulic characteristics; numerical simulation

中央高校基本科研業(yè)務費專項(2016B42014); 長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT1233)

趙彬如(1992—),女,博士研究生,主要從事環(huán)境水力學研究。E-mail:binruzhao@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.05.012

TV135.1;S956.3

：A

：1006-7647(2017)05-0069-05

2016-08-28 編輯：熊水斌)