異側(cè)豎縫寬度對(duì)魚(yú)道水流結(jié)構(gòu)的影響研究

張 羽，張凌峰，杜慶君，李卓普，趙集云

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000)

0 概 述

大壩、水閘等水利水電工程的建設(shè)利用推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高了水資源潛在的巨大生態(tài)和社會(huì)效益；但是它也阻斷了河流在能量流動(dòng)、物質(zhì)傳輸、信息傳遞功能上的連續(xù)性。這一影響對(duì)需要洄游、繁殖的魚(yú)類(lèi)等水生物尤為突出。因此，為了保護(hù)魚(yú)類(lèi)等水生資源，探索并設(shè)計(jì)出能夠適應(yīng)魚(yú)類(lèi)洄游，降低水利工程帶來(lái)的人為性生態(tài)循環(huán)破壞的魚(yú)道是一種行之有效的方法。魚(yú)道是為幫助魚(yú)類(lèi)等水生物通過(guò)大壩、水閘上溯或下行的補(bǔ)救性措施，主要是為魚(yú)類(lèi)提供上溯通道，保護(hù)魚(yú)類(lèi)生態(tài)多樣性與保持河流連續(xù)性的一種重要技術(shù)工程手段。當(dāng)前魚(yú)道設(shè)計(jì)形式主要分為工程性魚(yú)道和仿自然式魚(yú)道，作為工程魚(yú)道中最常見(jiàn)布置方式之一的豎縫式魚(yú)道，以其良好的過(guò)魚(yú)效果成為目前國(guó)內(nèi)外工程魚(yú)道設(shè)計(jì)的普遍形式。該類(lèi)魚(yú)道具有池室內(nèi)主流形態(tài)穩(wěn)定、主流區(qū)回流區(qū)位置明確、豎縫處流速分布較均勻、對(duì)來(lái)流變化自適應(yīng)性強(qiáng)等技術(shù)特點(diǎn)。我國(guó)近期建設(shè)的魚(yú)道工程也大都采用了豎縫式魚(yú)道。如，黑龍江省的關(guān)門(mén)嘴子水庫(kù)橫隔板豎縫魚(yú)道、廣西大藤峽的南木江工程魚(yú)道等。

一般而言，國(guó)內(nèi)外對(duì)工程魚(yú)道方面的研究重點(diǎn)不外乎為豎縫處的流速特征、池室內(nèi)主流區(qū)和回流區(qū)的分布、池室內(nèi)主流流速的衰減規(guī)律等等內(nèi)容。其中最廣為接受的就是豎縫式魚(yú)道垂直方向上流速梯度的變化很小，可以忽略不計(jì)，豎縫式魚(yú)道的流動(dòng)可以做二維平面流來(lái)處理。具體來(lái)說(shuō)，豎縫式魚(yú)道的形式分為同側(cè)豎縫和異側(cè)豎縫兩種，對(duì)于發(fā)展時(shí)間更長(zhǎng)和應(yīng)用更為廣泛的前者，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有相對(duì)深入的研究。Rajaratnam等[1]與Liu等[2]通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究了魚(yú)道的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及流態(tài)，提出魚(yú)道各級(jí)水池的長(zhǎng)寬比為L(zhǎng)∶B=10∶8時(shí)，魚(yú)道流態(tài)較為穩(wěn)定。An等[3]、Fujihara等[4]先后進(jìn)行了豎縫式魚(yú)道的數(shù)值模擬計(jì)算，研究了魚(yú)道池室的長(zhǎng)寬比對(duì)魚(yú)道流態(tài)的影響，并提出長(zhǎng)寬比在8∶8～10.5∶8的范圍內(nèi)可以獲得魚(yú)道池室內(nèi)較好的水流流態(tài)。Larinier[5]提出并研究了豎縫式魚(yú)道消能率這一概念，認(rèn)為各級(jí)池室內(nèi)的單位體積耗散率應(yīng)小于150～200 W/m3；張國(guó)強(qiáng)等[6]采用數(shù)值模擬的方法系統(tǒng)研究了豎縫寬度對(duì)魚(yú)道豎縫處和池室內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，并提出豎縫寬度b/B在0.1～0.25這一范圍時(shí)，豎縫斷面處流速分布梯度大，主流的最大流速軌跡線基本位于池室中部且偏轉(zhuǎn)程度適宜，主流流速沿程衰減明顯，魚(yú)道消能效果較好。趙彬如等[7]研究了豎縫位置對(duì)豎縫處流速和池室內(nèi)流態(tài)個(gè)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，并給出了豎縫位置的推薦取值區(qū)間。邊永歡等[8]將變化的豎縫斷面平均流速作為自變量，系統(tǒng)地研究各工況下豎縫斷面流速分布與各級(jí)池室內(nèi)主流流速分布的變化規(guī)律，得出在0.8～2.0 m/s這一流速區(qū)間內(nèi)時(shí)，流速的變化對(duì)各部分影響很小。這也表明了前述相關(guān)研究取得的結(jié)論具有良好的適用性。

上述研究大多側(cè)重于同側(cè)豎縫式魚(yú)道，而豎縫式魚(yú)道的另一個(gè)重要形式——異側(cè)豎縫式魚(yú)道，關(guān)于魚(yú)道整體或細(xì)部的設(shè)計(jì)與研究卻很少，其池室內(nèi)主流形態(tài)、水力特性參數(shù)等與同側(cè)魚(yú)道有較大不同。董志勇等[9]做了平坡物理模型試驗(yàn)，并擬合出無(wú)導(dǎo)板異側(cè)豎縫式魚(yú)道的主流軌跡曲線，其表現(xiàn)為一條4次S形態(tài)曲線。在流速變化方面，異側(cè)豎縫式魚(yú)道的池室內(nèi)主流速度表現(xiàn)為前半池長(zhǎng)，逐漸減?。缓蟀氤亻L(zhǎng)，逐漸增加。在半池長(zhǎng)附近，存在一個(gè)低速區(qū)；同時(shí)進(jìn)行的放魚(yú)試驗(yàn)結(jié)果表明：由于該區(qū)域流速低于感應(yīng)流速(0.8～1.2 m/s)，試驗(yàn)魚(yú)類(lèi)(河鰻、鯽魚(yú))溯游至該低速區(qū)會(huì)發(fā)生打轉(zhuǎn)或徘徊現(xiàn)象。劉志雄等[10]進(jìn)行了異側(cè)豎縫式魚(yú)道物理模型試驗(yàn)，研究了不同豎縫寬度、池室長(zhǎng)寬比下豎縫斷面的無(wú)量綱流速分布規(guī)律和池室內(nèi)主流最大流速沿程衰減情況；并在董志勇的基礎(chǔ)上改進(jìn)了主流軌跡的擬合公式。曹慶磊等[11]通過(guò)物理模型試驗(yàn)得出：隨著流量的變化，池室內(nèi)各部位的無(wú)量綱流速、紊動(dòng)能和紊動(dòng)切應(yīng)力的變化規(guī)律；同時(shí)也驗(yàn)證了異側(cè)豎縫式魚(yú)道型式下不同水深平面的主流軌跡和流速分布曲線接近重合。這表明異側(cè)豎縫魚(yú)道的水流結(jié)構(gòu)也可以當(dāng)做為二維平面流動(dòng)來(lái)處理。

本文主要對(duì)異側(cè)豎縫式魚(yú)道的水力特征進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算研究，定量分析豎縫寬度對(duì)魚(yú)道池室和豎縫處水流結(jié)構(gòu)的影響，并與前人的研究成果對(duì)比，分析流態(tài)優(yōu)劣，并給出合理的寬度取值范圍。

1 數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證

1.1 數(shù)值模型

根據(jù)前文所推薦的魚(yú)道尺寸，本研究采用魚(yú)道池室部分長(zhǎng)寬比取值為L(zhǎng)∶B=10∶8，導(dǎo)板長(zhǎng)度P∶B=3∶10，具體見(jiàn)圖1，其中單級(jí)池室長(zhǎng)度L為3.00 m，寬度為2.40 m，導(dǎo)板長(zhǎng)度P取0.72 m。研究分別選用了b/B=0.050、0.063、0.100、0.125、0.150、0.175、0.200、0.225、0.250、0.300、0.400、0.500等12種豎縫寬度，探討各工況下魚(yú)道水池內(nèi)水力特性。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的結(jié)論：豎縫斷面平均流速在0.8～2.0 m/s范圍內(nèi)，其流速大小對(duì)于池室內(nèi)各種水力學(xué)參數(shù)沒(méi)有顯著影響，故本文以不失代表性的設(shè)置斷面進(jìn)口平均流速為0.125 m/s，以保證豎縫斷面平均流速達(dá)到上述要求。

圖1 魚(yú)道模型計(jì)算域

結(jié)合文獻(xiàn)[12]的研究表明，豎縫式魚(yú)道水流呈明顯的二維平面流動(dòng)特征，垂直方向上流速變化可以忽略不計(jì)。因此，本研究以二維平面模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

數(shù)值模擬采用Fluent 18.0流體模擬軟件，在計(jì)算過(guò)程中，為了盡量減小進(jìn)出口邊界對(duì)池室內(nèi)流場(chǎng)的影響，模型建立為6級(jí)水池，參見(jiàn)圖1。來(lái)流邊界位于池室左側(cè)設(shè)為速度入口，平均流速設(shè)置0.125 m/s；出流邊界在右側(cè)設(shè)置為壓力出口，其他為固壁邊界，初始流場(chǎng)靜止。在計(jì)算網(wǎng)格劃分方面，魚(yú)道池室內(nèi)部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為16 mm而豎縫處位置形狀不規(guī)則，采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為8 mm。另外還對(duì)重點(diǎn)計(jì)算域?yàn)榈?個(gè)水池進(jìn)口豎縫以及池室的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，加密后網(wǎng)格邊長(zhǎng)為分別為8、4 mm。設(shè)置的殘差絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值為1×10-3，時(shí)間步長(zhǎng)控制0.01 s，時(shí)間步數(shù)為20 000。

數(shù)值模擬計(jì)算方法采用RNGk-ε湍流模型和基于壓力法求解器的SIMPLEC算法，其中k-ε(RNG)模型的控制方程如下[13]：

連續(xù)性方程

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 模型驗(yàn)證

采用曹慶磊等[11]異側(cè)魚(yú)道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證。其試驗(yàn)魚(yú)道水池如圖2所示，與本文的魚(yú)道體形I相似。對(duì)該魚(yú)道進(jìn)行二維建模，模型進(jìn)口采用速度進(jìn)口，模型出口均采用壓力邊界。將模擬計(jì)算結(jié)果的A-A＇斷面的相對(duì)流速(斷面流速U/斷面平均流速Uo)與文獻(xiàn)[11]中的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并繪于圖3，結(jié)果表明數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，且從流態(tài)分布圖上來(lái)看，二者流態(tài)分布基本一致，說(shuō)明數(shù)學(xué)模型能夠較準(zhǔn)確的模擬魚(yú)道池室內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

圖3 數(shù)值模擬-驗(yàn)證試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

2 豎縫處斷面流速分布

對(duì)于豎縫式魚(yú)道而言，水力學(xué)主要研究重點(diǎn)就在于豎縫處和池室內(nèi)的特征。對(duì)于前者，豎縫是整個(gè)魚(yú)道系統(tǒng)流速最大、紊動(dòng)最強(qiáng)烈的部位，此處一般需要魚(yú)類(lèi)以爆發(fā)或極限速度穿越，因此研究豎縫斷面水力特性是提高過(guò)魚(yú)效率的重點(diǎn)。本文取豎縫中心斷面作為研究對(duì)象，以豎縫斷面的平均流速Uo為參照，對(duì)模擬的各工況豎縫斷面流速數(shù)據(jù)U進(jìn)行無(wú)量綱處理，分別做出(U/Uo)～(Xi/b)關(guān)系曲線。其中，Xi為豎縫斷面上距起點(diǎn)的距離，b為豎縫斷面寬度，Ux、Uy分別為斷面橫向與縱向流速。由圖4可知，豎縫斷面處流速分布具有明顯的兩側(cè)小中間大的特性，豎縫斷面左側(cè)10%右側(cè)20%以內(nèi)，水流流速低于豎縫斷面平均流速；而豎縫中間70%的寬度范圍內(nèi)，水流流速均接近或稍高于平均流速。豎縫斷面流速的這種不均勻分布，具有豐富的流場(chǎng)信息，能夠給不同種類(lèi)、不同感應(yīng)流速的魚(yú)類(lèi)提供上溯通道。

圖4 豎縫斷面流速分布

除了豎縫斷面流速分布的不均勻程度問(wèn)題，豎縫斷面的水流偏轉(zhuǎn)程度也是影響過(guò)魚(yú)效率的重要影響因素之一。由于異側(cè)豎縫魚(yú)道的前后池室結(jié)構(gòu)分布不一，豎縫斷面各點(diǎn)水流將會(huì)出現(xiàn)橫向或者縱向流速。這將會(huì)使水流出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，縱向流速越大，偏轉(zhuǎn)程度越大，越不利于魚(yú)類(lèi)通過(guò)豎縫。圖5、6分別做出了(Ux/Uo)～(Xi/b)和(Uy/Uo)～(Xi/b)關(guān)系曲線，表明了不同豎縫寬度情況下豎縫斷面上橫向、縱向流速的分布特征。結(jié)果表明，在b/B=0.05～0.5的范圍內(nèi)，豎縫寬度越大，縱向流速對(duì)豎縫斷面上該點(diǎn)流速影響越小；但較大的豎縫寬度，也會(huì)增大橫向流速。為了進(jìn)一步確定豎縫斷面流速分布的不均勻程度與豎縫寬度的關(guān)系，計(jì)算出斷面上縱向流速的標(biāo)準(zhǔn)差，并做出上述標(biāo)準(zhǔn)差值與豎縫寬度的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖7)。

圖5 豎縫斷面橫向流速變化與豎縫寬度關(guān)系

圖6 豎縫斷面縱向流速變化與豎縫寬度關(guān)系

圖7 豎縫斷面縱向流速標(biāo)準(zhǔn)差與豎縫寬度關(guān)系

從圖7可以看出：在b/B=0.05時(shí)，豎縫斷面縱向流速標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.65 m/s。隨著豎縫寬度的增大，標(biāo)準(zhǔn)差逐漸變小，說(shuō)明徑向流速逐漸變小，豎縫斷面的流速不均勻程度逐漸降低；當(dāng)b/B≧0.15時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差基本小于0.2 m/s，豎縫斷面流速趨于穩(wěn)定；但同時(shí)豎縫寬度越大，橫向流速也越大。結(jié)合圖5可以看出，在b/B=0.25左右時(shí)，橫向流速的影響有突然增大的趨勢(shì)。綜合豎縫處水流均勻性和控制水流偏轉(zhuǎn)程度大小兩方面看，推薦豎縫斷面寬度b/B取值為0.15～0.25。

3 池室流場(chǎng)水流結(jié)構(gòu)

豎縫式魚(yú)道的池室內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)主要分為主流區(qū)和回流區(qū)兩部分，魚(yú)類(lèi)沿較高流速的主流洄游，也可以低流速的回流區(qū)區(qū)憩息，因此魚(yú)道池室內(nèi)的水流結(jié)構(gòu)也是影響過(guò)魚(yú)效率的關(guān)鍵因素。而且異側(cè)豎縫式魚(yú)道因其池室兩側(cè)豎縫出口位置交錯(cuò)，池室內(nèi)水流受豎縫寬度變化影響，整體流態(tài)、流速、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)均具有較大差異。研究上述12種豎縫寬度下數(shù)值模擬魚(yú)道池室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，分析主流最大流速衰減規(guī)律，總結(jié)豎縫寬度對(duì)池室水流特征的影響規(guī)律，可以為魚(yú)道豎縫寬度設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

3.1 不同豎縫寬度下各級(jí)水池內(nèi)的水流結(jié)構(gòu)

水流受導(dǎo)板和隔板的阻礙后在豎縫位置橫向收縮而后再下一個(gè)池室內(nèi)橫向摻混擴(kuò)散，豎縫的寬度不同，水流的形態(tài)和回流區(qū)的差別也會(huì)比較大。根據(jù)數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果，可以依據(jù)豎縫寬度變化對(duì)主流和回流區(qū)的影響程度，將流場(chǎng)結(jié)構(gòu)劃分為以下三類(lèi)。

第一類(lèi)。在0≤b/B≤0.15時(shí)，水流通過(guò)交錯(cuò)的豎縫，主流在池室內(nèi)形成明顯的偏轉(zhuǎn)，主流的前半部分沿著豎縫頂?shù)姆较驔_向池室上側(cè)壁，后半部分沿著池壁流動(dòng)很短距離后進(jìn)入下一豎縫；每個(gè)池室內(nèi)形成兩個(gè)非對(duì)稱(chēng)、大小不一的回流區(qū)，左側(cè)回流區(qū)尺度遠(yuǎn)小于右側(cè)；池室整體主流明確，但偏轉(zhuǎn)程度很大，尤其是當(dāng)b/B=0.062 5時(shí)，在池室長(zhǎng)度x/L=0.6處出現(xiàn)貼壁水流的不利流態(tài)，魚(yú)道實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格避免這種流態(tài)的出現(xiàn)。典型流場(chǎng)圖見(jiàn)圖8a、8b。

第二類(lèi)。當(dāng)0.15

圖8 不同豎縫寬度下典型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意

第三類(lèi)。當(dāng)0.25≤b/B<0.5時(shí)，主流進(jìn)一步順直，僅有微小的偏轉(zhuǎn)，左右兩側(cè)回流區(qū)基本對(duì)稱(chēng)大小尺度相當(dāng)；特別的，當(dāng)b/B=0.5時(shí)，上側(cè)隔板已經(jīng)短于下側(cè)導(dǎo)板，因而造成水流的偏轉(zhuǎn)，典型流場(chǎng)圖見(jiàn)圖8e、8f。

3.2 主流區(qū)最大流速軌跡線與流速沿程衰減情況

以第四級(jí)水池為研究對(duì)象，進(jìn)一步量化研究水池內(nèi)的流速分布，以第四級(jí)水池進(jìn)口導(dǎo)板為起始斷面，每隔0.1m取一個(gè)橫斷面，一共選取31個(gè)橫截面，提取各個(gè)斷面上的最大流速Umax以及其位置信息，形成主流的最大流速軌跡線。圖9給出了不同豎縫寬度下水池內(nèi)主流區(qū)的最大流速軌跡線；該軌跡線沿程流速值均比較大，但是沿最大流速軌跡線存在一個(gè)最小流速，該最小流速的量值標(biāo)志著水池內(nèi)主流的擴(kuò)散程度與能量耗散效果。提取最大流速軌跡線上的流速U與最大流速Umax，繪出無(wú)量綱數(shù)(U/Umax) ～(xi/L)的關(guān)系曲線如圖10所示。

圖9 主流區(qū)最大流速軌跡

圖10 最大流速軌跡線上流速衰減

從圖9的主流區(qū)最大流速軌跡線可以看出，在0.062 5≤b/B≤0.15時(shí)，最大流速軌跡線向左側(cè)偏轉(zhuǎn)幅度較大，流線較長(zhǎng)，大致在xi/L=0.6時(shí)偏轉(zhuǎn)程度達(dá)到最大。此時(shí)，部分主流已經(jīng)頂沖左側(cè)壁，隨后主流在水池的后半段軌跡線向右側(cè)偏轉(zhuǎn)，在xi/L=0.9左右時(shí)向下一豎縫出口處偏轉(zhuǎn)。當(dāng)0.15≤b/B≤0.2時(shí)，最大流速軌跡線的偏轉(zhuǎn)程度較上述情況有明顯降低，主流較順直且基本位于前后兩豎縫的中心連線上，軌跡線只在水池進(jìn)出口段有輕微的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)0.2≤b/B≤0.5時(shí)，最大流速軌跡線順直且位于前后豎縫中心連線上，只且隨著豎縫寬度逐漸增大，主流已經(jīng)沒(méi)有偏轉(zhuǎn)，尤其是b/B=0.4時(shí)，主流軌跡基本為一條平滑直線。

由圖10給出的主流區(qū)最大流速沿程衰減分布可見(jiàn)，豎縫寬度對(duì)主流區(qū)最大流速的沿程衰減有顯著影響，豎縫寬度的變化會(huì)影響水流擴(kuò)散摻混，進(jìn)而影響主流區(qū)流速的沿程變化。當(dāng)0.05≤b/B≤0.2時(shí)，豎縫寬度較小，主流在池室前半段與其他水體混合作用較強(qiáng)，水流的橫向擴(kuò)散作用弱，且主流偏轉(zhuǎn)程度較大，流程更長(zhǎng)。U/Umax最大變動(dòng)在0.38～0.80之間，變化幅度較大，表明水池內(nèi)主流區(qū)流速沿程衰減明顯；當(dāng)b/B>0.2時(shí)，豎縫寬度較大，水流在水池內(nèi)橫向擴(kuò)散增強(qiáng)，流程短，U/Umax均大于0.8，表明流速沿程衰減作用較小。

從以上對(duì)豎縫處和池室內(nèi)水力學(xué)特征值分析可見(jiàn)，豎縫寬度對(duì)池室內(nèi)主流流速和流場(chǎng)分布影響顯著。綜合考慮魚(yú)類(lèi)對(duì)水流流態(tài)和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的需求，推薦豎縫寬度取值為0.15≤b/B≤0.2。此時(shí)，主流流程處于合適的長(zhǎng)度，流速衰減均勻，兩側(cè)回流區(qū)發(fā)達(dá)，無(wú)疑是最為合適的洄游流態(tài)。

4 容積耗散功率

在豎縫式魚(yú)道的設(shè)計(jì)中，除了關(guān)注豎縫和池室這兩個(gè)關(guān)鍵部位的水流結(jié)構(gòu)，魚(yú)道也是一個(gè)水力消能設(shè)施，魚(yú)道各級(jí)池室的能量耗散情況也是需要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。2002年法國(guó)的Larinier[5]重點(diǎn)研究了豎縫式魚(yú)道的消能效率問(wèn)題，并提出了各級(jí)水池內(nèi)的單位水體消能率(容積耗散功率)E的概念，它反映了水池內(nèi)的湍流度和摻氣程度；E值越大，表明池室內(nèi)摻氣程度和湍流度越大，魚(yú)類(lèi)上溯也越困難，并根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果提出了E不宜大于150～200 W/m3的建議；因此除了比較上述水力學(xué)特征值外，還需要復(fù)核計(jì)算池室單位水體消能率。

具體消能率計(jì)算如下

(5)

(6)

Q=Ubh

(7)

根據(jù)式(5)、(6)、(7)可得

(8)

式中，L為魚(yú)道池室長(zhǎng)度，取3.0 m；B為魚(yú)道池室寬度，取2.4 m；b為魚(yú)道豎縫寬度；為魚(yú)道池室水深；h為水密度，ρ取1 000 kg/m3；g為重力加速度；Q為過(guò)流流量；Δh為相鄰池室的落差，φ為流速系數(shù)，取0.8；同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[14]，取U=0.8～1.2 m/s，這包括了大部分的魚(yú)類(lèi)的洄游速度。依據(jù)式(8)計(jì)算0.15≤b/B≤0.2工況下魚(yú)道的單位水體耗散率(見(jiàn)表1)。

表1 魚(yú)道單位水體耗散率

表1結(jié)果表明，豎縫寬度在0.15≤b/B≤0.2的范圍內(nèi)，單位水體耗散率計(jì)算值遠(yuǎn)小于150～200 W/m3，滿足要求。因此前文給出的豎縫寬度b/B建議在0.15～0.2是合適的。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)異側(cè)豎縫式魚(yú)道水流結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬計(jì)算，系統(tǒng)研究了不同豎縫寬度對(duì)池室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、豎縫斷面流速分布、主流特性及回流區(qū)形態(tài)的影響，得出以下主要結(jié)論：

(1)不同的豎縫寬度對(duì)豎縫斷面處水流特征具有顯著影響，過(guò)寬或過(guò)窄的豎縫寬度分別會(huì)產(chǎn)生較大的橫向流速和不穩(wěn)定的縱向流速；綜合來(lái)看，豎縫斷面寬度b/B推薦取值為0.15～0.25。

(2)豎縫寬度對(duì)異側(cè)豎縫式魚(yú)道池室水流的流態(tài)影響較大，豎縫相對(duì)寬度b/B在0.15～0.20的范圍內(nèi)，可以獲得池室較好的主流流態(tài)，兩側(cè)回流區(qū)大小、位置合適，主流流速沿程衰減尺度適中。

(3)計(jì)算單位水體消能率表明，前文推薦豎縫寬度b/B在0.15～0.20之間時(shí)能夠滿足魚(yú)道池室內(nèi)水體耗散率不大于150～200 W /m3的基本要求。

綜合以上結(jié)論，建議異側(cè)豎縫式魚(yú)道豎縫最佳寬度取值范圍為0.15～0.20。這與前文研究同側(cè)豎縫式魚(yú)道的推薦取值十分接近；但單位水體消能率較文獻(xiàn)[6]更低，說(shuō)明推薦豎縫寬度范圍內(nèi)，異側(cè)豎縫式魚(yú)道紊流度更低，流態(tài)更平穩(wěn)。