豎縫式魚道180°轉(zhuǎn)彎段水力特性研究

李明泉，蔡德所*,2，楊培思，莫崇勛，孫桂凱，李烈

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004；2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443000;3.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 引言

魚道為洄游魚類提供了良好的洄游通道，有效的緩解了由于閘壩等建筑物對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的負(fù)面影響[1]。2000年以后我國(guó)魚道建設(shè)進(jìn)入第二次發(fā)展期，最近十多年建成的魚道相關(guān)工程達(dá)三十余座[2]。

豎縫式魚道是用隔板和導(dǎo)板把魚道隔開，僅留一條豎縫供魚類洄游；由于豎縫的排列方式不同，又可分為同側(cè)豎縫式和異側(cè)豎縫式魚道；由于魚道槽身內(nèi)存在大量的隔板，其消能效果比一般的孔口式魚道等更顯著；垂直于魚道池底的豎縫，更能適應(yīng)不同水位、不同魚類的洄游要求[3-6]，國(guó)內(nèi)最近新建成的魚道大部分都是豎縫式魚道[7]。

魚道的運(yùn)行效果在一定程度上取決于它的水力特性[8]，而國(guó)內(nèi)對(duì)豎縫式魚道180°轉(zhuǎn)彎段水力特性的研究較少，大多集中于平直段的研究[9]。與其他流體力學(xué)軟件相比，F(xiàn)LOW-3D特有的TurVOF計(jì)算技術(shù)，不求解氣體控制方程，僅在界面上應(yīng)用邊界條件，而且界面上沒有剪力，能夠提供真實(shí)且詳盡的自由液面流場(chǎng)信息。因此，本文選擇FLOW-3D軟件，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)老口豎縫式魚道180°轉(zhuǎn)彎段的主流區(qū)流速、紊動(dòng)能沿程及垂向分布變化進(jìn)行研究，分析180°轉(zhuǎn)彎段的水力特性，對(duì)老口魚道過魚效果評(píng)價(jià)提供可靠依據(jù)。

1 建立模型

1.1 物理模型

物理模型的建立根據(jù)廣西老口航運(yùn)樞紐魚道的實(shí)際模型，采用1∶1的比例建立物理模型。為了便于把模型導(dǎo)入FLOW-3D軟件模擬計(jì)算，采用Rhinoceros軟件對(duì)模型進(jìn)行繪制。為了避免180°轉(zhuǎn)彎段內(nèi)的水力特性受到邊界條件的影響，在魚道模型的進(jìn)口及出口各增加3個(gè)池室[10-12]。模型由6個(gè)池室和一個(gè)180°轉(zhuǎn)彎段組成。模型整體長(zhǎng)37.9 m，寬9.0 m，高3.0 m，底板厚0.5 m，墻厚1.0 m，每個(gè)池室長(zhǎng)3.6 m，寬3.0 m。由于所取180°轉(zhuǎn)彎段底坡變化不大，故不考慮底坡的影響。魚道整體布置圖如圖1所示，池室細(xì)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 魚道整體布置圖Fig.1 Overall layout of model

圖2 池室細(xì)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Size of pool

老口魚道的主要過魚對(duì)象為青、草、鰱、鳙“四大家魚”[13]，當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)魚類游泳能力的研究資料較少，根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(SL 609—2013)[14]，“四大家魚”的游泳能力見表1。

表1 “四大家魚”的游泳能力Tab.1 Swimming ability of the four major chinese carps

1.2 控制方程

把水流看成不可壓縮流體，根據(jù)實(shí)際情況，采用FLOW-3D軟件中的RNGk-ε湍流模型，控制方程如下[13-15]：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

k方程：

ε方程：

η0=4.377，β=0.012[10, 16]。

2 模型計(jì)算與分析

網(wǎng)格塊覆蓋了模型的整個(gè)流體區(qū)域，本次模擬網(wǎng)格為立方體網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格單元的尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m，模型總共被劃分為653 934個(gè)網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分后可以利用軟件自帶的FAVOR功能查看網(wǎng)格劃分后的模型，外形有缺陷的部分進(jìn)行局部加密。

網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域?yàn)轸~道的平直段和180°轉(zhuǎn)彎段，故將網(wǎng)格為3部分，網(wǎng)格劃分和邊界條件如圖3所示，第①部分是轉(zhuǎn)彎段上游，第②部分是180°轉(zhuǎn)彎段，第③部分是轉(zhuǎn)彎段下游。為了不影響轉(zhuǎn)彎段的模型計(jì)算，第②部分的網(wǎng)格劃分多包含池室一部分[7,11-12]。

模型的邊界條件，水流進(jìn)口、出口及模型頂部均設(shè)置為壓力邊界，壓力為靜水壓力；模型的側(cè)面及底板均設(shè)置為固體邊界?？紤]到老口魚道設(shè)計(jì)水位和運(yùn)行水位，使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際，模型進(jìn)口水位定為2.0 m，出口水位定為1.6 m。水流上方為空氣，流體分?jǐn)?shù)設(shè)置為0。模型計(jì)算總時(shí)間設(shè)置為300 s，時(shí)間步長(zhǎng)可不做設(shè)置，使用默認(rèn)值即可，軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算[17]。

圖3 網(wǎng)格劃分和邊界條件Fig.3 Meshing and boundary conditions

2.1 水流流態(tài)模擬

水流流態(tài)是魚道一個(gè)重要的水力特性，魚道水流流態(tài)的好壞很大程度上決定了魚道過魚效果[3]，主流區(qū)明顯、流速適宜，過魚效果就好。本次模擬工況針對(duì)老口魚道設(shè)計(jì)水位H=2.0 m進(jìn)行研究，對(duì)水流流態(tài)模擬結(jié)果提取平行于池底的剖面，分別提取距池底高程為h=0.5 m和h=1.0 m的剖面，流態(tài)分布圖如圖4所示。

(a) h=0.5 m

(b) h=1.0 m

由圖4可以看出，沿豎縫有一個(gè)明顯的主流區(qū)；轉(zhuǎn)彎段由于沒有豎縫，轉(zhuǎn)彎段的主流區(qū)流速低于池室的流速。為了分析轉(zhuǎn)彎段主流區(qū)流速情況，現(xiàn)從上游到下游，依次選取13個(gè)點(diǎn)，得出不同高程下每個(gè)點(diǎn)的平均流速，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的平均流速時(shí)，選擇模型計(jì)算60 s以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)?0 s以后的水流逐漸趨于穩(wěn)定。測(cè)點(diǎn)的分布示意圖如圖5所示，不同高程各測(cè)點(diǎn)的流速見表2。

圖5 測(cè)點(diǎn)的分布示意圖Fig.5 Distribution of the points

表2 不同高程各測(cè)點(diǎn)的流速Tab.2 Velocities at different elevations

圖6 主流區(qū)流速分布圖 Fig.6 Velocity distributions in the main flow area

測(cè)點(diǎn)選好后，以第一個(gè)測(cè)點(diǎn)為x軸的起點(diǎn)，最后一個(gè)測(cè)點(diǎn)為x軸終點(diǎn)，結(jié)合不同高程各測(cè)點(diǎn)的流速，得出從上游到下游主流區(qū)的速度分布圖，主流區(qū)流速分布圖如圖6所示。

水流從4號(hào)測(cè)點(diǎn)流入轉(zhuǎn)彎段，從10號(hào)測(cè)點(diǎn)流出轉(zhuǎn)彎段，由圖6得出，不同高程、同一轉(zhuǎn)彎段，主流區(qū)流速分布相似；0.5 m水深處轉(zhuǎn)彎段的平均流速為1.35 m/s，1.0 m水深處轉(zhuǎn)彎段的平均流速為1.30 m/s，最小流速為0.55 m/s；流速峰值出現(xiàn)在豎縫處，豎縫處流速高于轉(zhuǎn)彎段內(nèi)部和池室內(nèi)部流速。

2.2 紊動(dòng)能模擬

紊動(dòng)能是魚道另一個(gè)重要的水力特性，紊動(dòng)能過大，不僅會(huì)阻礙魚類洄游，還會(huì)對(duì)魚類造成傷害[18-19]。對(duì)紊動(dòng)能模擬結(jié)果提取平行于池底的剖面，分別提取距池底高程為h=0.5 m和h=1.0 m的剖面，紊動(dòng)能分布圖如圖7所示。

(a) h=0.5 m

(b) h=1.0 m

得出不同高程下的紊動(dòng)能后，為了更直觀的分析180°轉(zhuǎn)彎段的紊動(dòng)能情況，現(xiàn)提取1-13號(hào)測(cè)點(diǎn)紊動(dòng)能的數(shù)值，不同高程處的紊動(dòng)能見表3。

表3 不同高程處的紊動(dòng)能Tab.3 Turbulent kinetic energy at different elevations

以第一個(gè)測(cè)點(diǎn)為x軸的起點(diǎn)，最后一個(gè)測(cè)點(diǎn)為x軸終點(diǎn)，結(jié)合測(cè)點(diǎn)處不同水深的紊動(dòng)能，得出從上游到下游主流區(qū)紊動(dòng)能分布圖如圖8所示。

圖8 主流區(qū)紊動(dòng)能分布圖Fig.8 Turbulent kinetic energy distributions in the main flow area

由圖7和圖8得出：轉(zhuǎn)彎段相同位置不同水深處的紊動(dòng)能分布相似；紊動(dòng)能較大的區(qū)域分布在轉(zhuǎn)彎處以及豎縫和豎縫后方接近出口處；0.5 m水深處轉(zhuǎn)彎段的平均紊動(dòng)能為0.133 J/kg，1.0 m水深處轉(zhuǎn)彎段的平均紊動(dòng)能為0.161 J/kg，最小紊動(dòng)能為0.091 J/kg，雖然沿主流區(qū)豎縫處及豎縫后方接近出口處紊動(dòng)能稍大，但回流區(qū)紊動(dòng)能小，有利于魚類洄游時(shí)休息，因此，紊動(dòng)能稍大的區(qū)域?qū)︳~類洄游影響有限。

3 結(jié)論

通過FLOW-3D軟件，在設(shè)計(jì)水位2.0 m的工況下，對(duì)老口魚道模型的水力特性進(jìn)行模擬計(jì)算，針對(duì)轉(zhuǎn)彎段的主流區(qū)流速、紊動(dòng)能沿程及垂向分布變化進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

① 豎縫式魚道180°轉(zhuǎn)彎段的水流流態(tài)有明顯的主流區(qū)，水流流速相比于池室更低；沿主流區(qū)0.5 m水深處轉(zhuǎn)彎段的平均流速為1.35 m/s，1.0m水深處轉(zhuǎn)彎段的平均流速為1.29 m/s，均在老口魚道主要過魚對(duì)象“四大家魚”的極限流速以內(nèi)，適合魚類洄游；兩種水深下的最小流速約為0.60 m/s，有利于魚類洄游時(shí)感知水流方向；轉(zhuǎn)彎段相同位置不同水深的水流流態(tài)分布相似；沿主流區(qū)，流速峰值出現(xiàn)在豎縫處，豎縫處流速高于轉(zhuǎn)彎段內(nèi)部和池室內(nèi)部流速。

② 豎縫式魚道180°轉(zhuǎn)彎段的紊動(dòng)能分布與水流流態(tài)分布類似，但紊動(dòng)能較大的區(qū)域分布在轉(zhuǎn)彎處以及豎縫和豎縫后方接近出口處；轉(zhuǎn)彎段的水位越高，紊動(dòng)能越大，最低為0.091 J/kg，雖然沿主流區(qū)豎縫處及豎縫后方接近出口處紊動(dòng)能稍大，但回流區(qū)紊動(dòng)能小，有利于魚類洄游時(shí)休息，因此，紊動(dòng)能稍大的區(qū)域?qū)︳~類洄游影響有限。在今后設(shè)計(jì)魚道時(shí)應(yīng)考慮紊動(dòng)能在以上區(qū)域的分布，在轉(zhuǎn)彎段增加擾流措施，減小這些區(qū)域的紊動(dòng)能，使魚道的設(shè)計(jì)更加合理。

③ 數(shù)值模擬結(jié)果表明，老口魚道對(duì)魚類洄游有著良好的水力條件，但具體的過魚效果如何，還要在魚道的實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行檢驗(yàn)。