豎縫寬度對魚道100°轉彎處水流特性的影響研究

韓 雷，狄高健，劉發(fā)智，田振華

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

水利工程的建設阻隔了原本連通的河道，影響了河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性和連續(xù)性，同時也中斷了具有洄游習性的魚類的上溯與繁殖。從保護河流生態(tài)系統(tǒng)多樣性角度，減輕水利工程阻隔的影響，一般需要修建魚道、升魚機等過魚建筑物，為魚類等洄游生物的上溯提供通道。因此，魚道的修建逐漸受到重視，而豎縫式魚道因其結構簡單、主流明晰且過魚效果佳等特點，在實際工程中被廣泛使用[1]。由于水利樞紐大多上下游水位差較大，魚道較長，受樞紐布置型式及場地條件限制，很難將魚道布置成直線型式，往往會隨地形地質的變化被布置成各種角度，形成彎道段。而在魚道轉彎段內，隨著水流方向發(fā)生變化，很容易出現(xiàn)主流不明確或主流貼壁等現(xiàn)象，并伴隨大尺度回流區(qū)的出現(xiàn)，若魚類進入此回流區(qū)域則無法感知水流方向，影響其上溯洄游，嚴重情況下會導致大量魚類在轉彎段滯留，魚道的過魚效率便會降低[2]。因此，魚道轉彎段水流特性的研究至關重要。本文以某工程中涉及到的100°魚道轉彎段為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法，進一步研究了豎縫寬度對100°轉彎段魚道水池內水流結構的影響。

1 工程概況

某水庫是一座以灌溉、防洪為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的大(2)型水利樞紐。樞紐建成后，將會阻隔保護魚類洄游通道，因此修建豎縫式魚道作為過魚通道，保護洄游魚類如細鱗魚、哲羅魚、雷氏七鰓鰻、江鱈等珍貴冷水性魚，以及鰱、鳙、鯉等溫水性魚。此水庫魚道采用同側橫隔板豎縫式魚道型式，全長2000余米。魚道各標準池室底板縱坡比采用1∶78。魚道標準池室長度4.0 m，凈寬3.0 m[3]。池室結構尺寸如圖1。

圖1 某工程魚道池室結構尺寸圖(單位：cm)

2 數(shù)學模型的建立

本研究采用標準k-ε紊流模型，其主要控制方程為：

連續(xù)方程

(1)

動量方程

(2)

K方程

(3)

ε方程

(4)

自由表面采用VOF(The Volume of Fluid)方法，在空間上定義函數(shù)F，全含水為1，不含水為0，當為自由表面時，0

(5)

網(wǎng)格劃分：魚道池室內采用四邊形網(wǎng)格與三角形網(wǎng)格相結合的方式劃分網(wǎng)格。

邊界條件：魚道上游邊界為流速進口，下游邊界為自由出流，殘差的絕對標準值為1 ×10-5，時間步長為0.01 s。

3 不同豎縫寬度下魚道100°轉彎段的水流結構分析

圖2 豎縫式魚道100°轉彎示意圖

由于豎縫寬度的不同，水流通過豎縫進入彎道段池室時，水流在池室內的橫向擴散、混摻也不同，主流流態(tài)與兩側回流區(qū)的差異也較大，六種工況計算結果如下。

(1) 當α1=0.4時，水流進入池室后發(fā)生的偏轉角度微小，主流成直順態(tài)，無典型的豎縫式水流流動結構“S型”流向，主流右側無回流，而左側出現(xiàn)大尺度的不利回流，會造成魚類迷失方向。流場圖見圖3。

(2) 當α2=0.5時，水流進入池室后發(fā)生的偏轉角度較α1=0.4時略有增大，主流偏轉弧度增大，但整體仍較直順，“S型”流向不明顯，主流左側有大尺度不利回流，右側基本無回流。流場圖見圖4。

(3)當α3=0.6時，水流進入池室后發(fā)生的偏轉角度適中，主流基本位于池室中央，主流明晰，水流流向明確，呈“S型”流向，在隔板下游主流兩側形成局部回流，左右兩側回流較對稱，強度不大。未出現(xiàn)主流臨近兩側邊墻的不利流態(tài)。流場圖見圖5。

(4) 當α4=0.7時，水流進入池室后發(fā)生的偏轉角度適中，主流位于池室中央，主流非常明晰順暢，水流流向明確，呈現(xiàn)“S型”流向，水流在水池內擴散較好，未出現(xiàn)主流臨近兩側邊墻的不利流態(tài)。主流兩側均出現(xiàn)明顯回流，但左右兩側回流對稱且大小相當。流場圖見圖6。

(5) 當α5=0.8時，水流進入池室后偏轉弧度略大，水流在水池內擴散較大，可以看出主流臨近右側邊墻出現(xiàn)一些不利流態(tài)。左側回流較大，右側基本無回流，主流左右兩側水流不對稱。流場圖見圖7。

(6)當α6=0.9時，主流明確但偏轉角度過大，水流擴散較大，左側回流較大，右側基本無回流，主流左右兩側水流不對稱。主流臨近右側邊墻出現(xiàn)不利流態(tài)。流場圖見圖8。

圖3 α1=0.4流場圖

圖4 α2=0.5流場圖

圖5 α3=0.6流場圖

圖6 α4=0.7流場圖

圖7 α5=0.8流場圖

圖8 α6=0.9流場圖

4 計算結果分析與討論

通過六個工況下100°轉彎處的水流結構數(shù)值模擬可知，流場結構大致可以分為以下三類。

第一類：0<α≤0.5時，主流直順，水流進入池室后基本不發(fā)生偏轉，主流左側有較小回流，右側無回流。

第二類：0.5<α≤0.7時，水流進入池室后發(fā)生的偏轉角度適中，主流基本位于池室中央，主流明晰順暢，水流流向明確，呈現(xiàn)“S型”流向，水流在水池內擴散較好，未出現(xiàn)主流臨近兩側邊墻的不利流態(tài)。在隔板下游主流兩側形成局部回流，左右兩側回流對稱，大小相當且強度不大，為魚類提供了有效的休息場所。

第三類：0.7<α≤0.9時，主流明確但偏轉角度過大，左側回流較大，右側基本無回流，主流左右兩側水流不對稱。

經(jīng)過對六個工況下100°轉彎處的水流結構數(shù)值模擬可見，豎縫寬度的變化會影響水流在池室內的橫向擴散、混摻，進而影響主流區(qū)內沿程的流速變化。當0<α≤0.5時，豎縫寬度較小，水流的橫向擴散、混摻程度較弱。當0.7<α≤0.9時，主流明確但偏轉角度過大，左側回流較大，右側基本無回流，主流左右兩側水流不對稱。而當0.5<α≤0.7時，豎縫寬度逐漸增大，水流在池室內的橫向擴散增強，主流愈來愈趨向池室中央，左右兩側區(qū)域回流明顯且趨于對稱，流場結構合理。可見，對于固定長寬比、導板長度、導向角度、墩頭型式及隔板長度等影響值下，100°轉彎處的水流結構在此豎縫范圍內相對較合理。

5 結 論

本文通過數(shù)值模型計算，對某工程中六種工況下的豎縫式魚道100°轉彎段的水流結構進行了研究，研究表明豎縫寬度對魚道彎道處池式內水流流場有一定的影響。計算結果分為三類闡述，在此工程魚道結構下，分析出更適合魚類上溯的池式豎縫寬度下的水流結構特征。當0.5<α≤0.7時，水流進入池室后發(fā)生的偏轉角度適中，主流基本位于池室中央，主流明晰順暢，水流流向明確，呈現(xiàn)“S型”流向，水流在水池內擴散較好，未出現(xiàn)主流臨近兩側邊墻的不利流態(tài)。