異側(cè)縫-孔組合式魚(yú)道水力特性試驗(yàn)研究

董志勇，嚴(yán)澤陽(yáng)，黃 洲，余俊鵬，童建莉

(浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

生態(tài)環(huán)境是當(dāng)今社會(huì)的熱詞。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注[1-2]。作為基礎(chǔ)設(shè)施的水利工程，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提供了必需的可再生能源，并具有防洪排澇、城鎮(zhèn)供水、農(nóng)田灌溉和航運(yùn)等功能，必將得到進(jìn)一步的發(fā)展。我國(guó)沿海、沿江魚(yú)類(lèi)資源豐富，洄游性魚(yú)類(lèi)眾多，按生活環(huán)境可分為生活在海洋中的溯河洄游性魚(yú)類(lèi)和生活在淡水中的降河洄游性魚(yú)類(lèi)。此外，還有在河流與湖泊、干流與支流的半洄游性魚(yú)類(lèi)。為了保證魚(yú)類(lèi)能夠順利洄游，通常在擋潮閘、排水閘、分洪閘和大壩等水利樞紐中設(shè)置魚(yú)道，以達(dá)到水利工程與生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展。已有研究表明：在全球已建成的魚(yú)道中，魚(yú)類(lèi)能夠溯游通過(guò)的魚(yú)道尚不足一半[3]！因此，進(jìn)一步研究魚(yú)道水力特性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

魚(yú)道可分為單一式魚(yú)道(豎縫、孔口、溢流堰)和組合式魚(yú)道。豎縫式魚(yú)道最早應(yīng)用于加拿大弗雷澤河上鬼門(mén)閘魚(yú)道中，其優(yōu)點(diǎn)是魚(yú)類(lèi)可以在任意水深穿游各池室。Rajaratnam等[4]較早地對(duì)豎縫式魚(yú)道的均勻流和非均勻流特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出無(wú)量綱流量與相對(duì)水深的關(guān)系；Wu等[5]則認(rèn)為通過(guò)豎縫的流動(dòng)可看作平面射流。Guiny等[6-7]對(duì)豎縫式魚(yú)道的時(shí)均流特性和生物特性進(jìn)行過(guò)較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬；孫雙科等[8]對(duì)北京市上莊新閘豎縫式魚(yú)道的時(shí)均流特性進(jìn)行過(guò)模型試驗(yàn)研究；董志勇等[9-10]在大比尺魚(yú)道模型中對(duì)同側(cè)和異側(cè)豎縫式魚(yú)道的時(shí)均流特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，分析了豎縫式魚(yú)道的主流軌跡、主流速度的沿程變化規(guī)律、水池橫斷面流速分布的特征及其隨流量的變化情況，并做了放魚(yú)試驗(yàn)。孔口式分為中孔、底孔，其流動(dòng)特性表現(xiàn)為三維自由射流或三維壁面射流，并且形成三維水躍。魚(yú)類(lèi)在孔口式魚(yú)道中溯游時(shí)，必須通過(guò)受限空間才能到達(dá)上游池室，適宜于喜歡在中、下層洄游的大、中型魚(yú)類(lèi)。大多數(shù)魚(yú)道的水力設(shè)計(jì)只考慮平均流速，忽略了魚(yú)道內(nèi)的紊流結(jié)構(gòu)。已有研究表明：魚(yú)類(lèi)可用內(nèi)耳、側(cè)線和神經(jīng)丘來(lái)察覺(jué)紊動(dòng)[11]。一些關(guān)于紊流對(duì)魚(yú)類(lèi)習(xí)性、能量和分布影響的研究表明：在一些紊流形態(tài)中，魚(yú)類(lèi)可從中受益，如Liao等[12]在《Science》期刊上發(fā)表文章，闡述了成年彩虹鮭在障礙物形成的穩(wěn)定脫落旋渦中游動(dòng)時(shí)可從這些旋渦能量中受益。類(lèi)似的觀測(cè)結(jié)果表明：成年紅大馬哈魚(yú)在溯河產(chǎn)卵洄游途中利用旋渦區(qū)以使其能量支出減到最小[13-14]；Herskin等[15]的研究認(rèn)為：魚(yú)類(lèi)成群溯游時(shí)，可從領(lǐng)頭魚(yú)產(chǎn)生的旋渦中受益。若魚(yú)道中水流能形成這種生態(tài)友好型流動(dòng)結(jié)構(gòu)，則大大有利于魚(yú)類(lèi)溯游。迄今，人們對(duì)單一式魚(yú)道研究較多，而對(duì)于組合式魚(yú)道則僅有些數(shù)值模擬研究。王琲等[16]采用RNG k-ε紊流模型對(duì)豎縫與溢流堰組合式魚(yú)道進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了池室內(nèi)流速和紊動(dòng)能變化情況；劉鵠等[17]基于紊流模型和VOF自由表面處理技術(shù)，對(duì)豎縫與孔口組合式魚(yú)道的流場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；Masayuki等[18]采用三維紊流模型及VOF分析了溢流堰與孔口組合式魚(yú)道的水力特性。然而，對(duì)于組合式魚(yú)道的試驗(yàn)研究，迄今鮮有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。由于沿海、沿江洄游性魚(yú)類(lèi)眾多，其溯游習(xí)性各異，傳統(tǒng)的單一式魚(yú)道難以滿(mǎn)足不同魚(yú)類(lèi)的溯游習(xí)性，這也是大多數(shù)魚(yú)道運(yùn)行效果不佳的原因之一。筆者在孔口與豎縫組合式魚(yú)道水槽中，用聲學(xué)多普勒測(cè)速儀(ADV)量測(cè)孔口和豎縫組合式魚(yú)道的三維瞬時(shí)流速，分析時(shí)均流速分布、紊動(dòng)強(qiáng)度分布、雷諾應(yīng)力分布，為孔口和豎縫組合式魚(yú)道的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備與量測(cè)技術(shù)

魚(yú)道水槽長(zhǎng)20 m，寬60 cm，深100 cm，可分為入流段、工作段和出流段，如圖1所示。工作段兩側(cè)為鋼化玻璃，分為4 個(gè)階梯式水池，水池底板高度沿程依次為20，15，10，5 cm，由5 塊魚(yú)道隔板分隔，每塊隔板在底板上高度均為65 cm，孔口與豎縫組合式隔板如圖2所示。試驗(yàn)流量為41 L/s，試驗(yàn)水深為0.545 m，水池?cái)嗝嫫骄魉贋?.125 m/s。

圖1 魚(yú)道水槽示意圖

圖2 縫-孔組合式魚(yú)道隔板(單位：mm)

坐標(biāo)系原點(diǎn)位于水池上游隔板、水池右側(cè)和底板的交點(diǎn)處，沿水流方向設(shè)為x軸，鉛垂方向設(shè)為z軸，橫向設(shè)為y軸。采用聲學(xué)多普勒測(cè)速儀(ADV)量測(cè)水池內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的三維瞬時(shí)流速，水位由自動(dòng)水位測(cè)量系統(tǒng)測(cè)讀，流量由水槽為尾部的矩形堰量測(cè)。隔板上豎縫在水池內(nèi)為異側(cè)布置。取不同深度水平面(z=10，20，30，35，45 cm)，沿每一水平面布設(shè)15 條橫線(x=5，10，15，20，25，30，40，60，80，100，120，140，160，170，175 cm)，沿每條橫線布設(shè)17 個(gè)測(cè)點(diǎn)(y=2，6，10，14，18，22，26，30，33，36，39，42，45，48，51，54，57 cm)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 流動(dòng)特征

過(guò)孔口中心水平面上的流速矢量如圖3所示。由圖3可見(jiàn)：異側(cè)布置情形孔口射流偏向豎縫壁面射流方向，與之合并后使主流斷面沿程擴(kuò)大，并在水池內(nèi)形成一個(gè)順時(shí)針?lè)较虻拇笮郎u。由于豎縫異側(cè)布置，豎縫壁面射流由左側(cè)轉(zhuǎn)向右側(cè)，致使孔口射流與豎縫壁面射流匯聚。

圖3 水平面上流速矢量

取水池典型橫斷面，x/L=0.2，x/L=0.6，分析其流速矢量分布，如圖4所示。從圖4可以看出：孔口射流與豎縫壁面射流在匯聚區(qū)橫斷面上的流動(dòng)特征顯然與合并區(qū)不同，匯聚區(qū)主要呈水平向流動(dòng)，合并區(qū)則為垂向流動(dòng)。

圖4 橫斷面上流速矢量

分別位于孔口、豎縫縱剖面上的流速矢量如圖5所示。由圖5可見(jiàn)：兩者流動(dòng)特征相似，水池內(nèi)水流主要呈縱向流動(dòng)，垂向流速很小。但在下游隔板附近，由于豎縫異側(cè)布置使縱向流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向流動(dòng)。

圖5 縱剖面上流速矢量

2.2 時(shí)均流速

2.2.1 最大縱向流速沿程變化

取位于孔口、豎縫的縱剖面，分析其最大縱向流速沿程變化情況，如圖6所示。由圖6可見(jiàn)：位于孔口縱剖面上的最大縱向流速沿程衰減較快，靠近上游隔板處，x/L=0.1左右達(dá)到最大，在靠近下游孔口處又逐漸增大；位于豎縫縱剖面上的最大縱向流速由于孔口射流的并入而衰減較慢，在水池下游隔板附近則急劇衰減，這是由于下游豎縫異側(cè)出流導(dǎo)致水流橫向流動(dòng)的緣故。

圖6 縱剖面上最大縱向流速沿程變化

2.2.2 縱向流速沿橫向分布

取x/L=0.2，x/L=0.6，x/L=0.9，過(guò)孔口中心橫線上縱向流速分布如圖7所示。由圖7可以看出：在靠近上游隔板附近，由于孔口射流與豎縫壁面射流匯聚，縱向流速沿橫向分布存在兩個(gè)峰值區(qū)，一個(gè)位于豎縫區(qū)，另一個(gè)位于孔口區(qū)，兩者之間存在回流區(qū)，即圖7中的下凹曲線。沿程其他橫線上的縱向流速則由于孔口射流與豎縫壁面射流的合并呈沿橫向逐漸增大的趨勢(shì)，并且由于水平向旋渦橫向流動(dòng)的作用使水池后部縱向流速比水池中部小。

圖7 縱向流速橫向分布

2.3 紊動(dòng)強(qiáng)度

紊動(dòng)強(qiáng)度是反映水流中流速脈動(dòng)強(qiáng)弱程度的一個(gè)特征值，可表示成

(1)

式中：Tx為縱向紊動(dòng)強(qiáng)度；Ty為橫向紊動(dòng)強(qiáng)度；Tz為垂向紊動(dòng)強(qiáng)度。

2.3.1 紊動(dòng)強(qiáng)度沿橫向分布

過(guò)孔口中心水平面上沿程紊動(dòng)強(qiáng)度沿橫向分布，如圖8所示。從圖8中可以看出：無(wú)論在射流匯聚區(qū)還是射流合并區(qū)，縱向流速明顯比橫向流速和垂向流速大。

圖8 紊動(dòng)強(qiáng)度沿橫向分布

2.3.2 縱剖面上最大縱向紊動(dòng)強(qiáng)度沿程變化

過(guò)孔口中心的縱剖面上最大縱向紊動(dòng)強(qiáng)度Tx max沿程變化，如圖9所示。由圖9可見(jiàn)：孔口區(qū)最大縱向紊動(dòng)強(qiáng)度呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，這是由于孔口射流向豎縫壁面射流區(qū)匯聚所致。顯然，在射流合并區(qū)，兩者變化趨勢(shì)相同。

圖9 縱剖面上最大紊動(dòng)強(qiáng)度沿程變化

2.4 雷諾應(yīng)力

雷諾應(yīng)力是分析紊流對(duì)魚(yú)類(lèi)影響的重要指標(biāo)，可表示為

(2)

2.4.1 雷諾應(yīng)力沿橫向分布

雷諾應(yīng)力沿橫向分布如圖10所示。由圖10可以看出:η1在射流剪切層存在峰值區(qū)，并呈正向變化，其余區(qū)域的η1,η2,η3則呈負(fù)向變化。

圖10 雷諾應(yīng)力沿橫向分布

2.4.2 縱剖面上最大雷諾應(yīng)力沿程變化

過(guò)孔口中心縱剖面上最大雷諾應(yīng)力沿程變化如圖11所示。由圖11可見(jiàn)：孔口區(qū)縱剖面上最大雷諾應(yīng)力沿程在水池前部逐漸減小，在水池中部趨于平緩，而在水池后部又逐漸增大；豎縫區(qū)縱剖面上最大雷諾應(yīng)力沿程逐漸增大。

圖11 縱剖面上最大雷諾應(yīng)力沿程變化

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)異側(cè)豎縫與中孔組合式魚(yú)道水力特性的試驗(yàn)研究，得出：1) 水平面上流動(dòng)特征呈孔口射流與豎縫壁面射流匯聚，并在水池內(nèi)形成一個(gè)順時(shí)針?lè)较虻拇笮郎u；縱剖面上流動(dòng)特征呈縱向流動(dòng)，垂向流速很小。2) 位于孔口縱剖面上的最大縱向流速沿程衰減較快，而位于豎縫縱剖面上的最大縱向流速則由于孔口射流的并入衰減較慢；縱向流速沿橫向分布存在兩個(gè)峰值區(qū)，一個(gè)位于豎縫區(qū)，另一個(gè)位于孔口區(qū)。3) 無(wú)論在射流匯聚區(qū)還是射流合并區(qū)，縱向流速明顯比橫向流速和垂向流速大。4) 孔口區(qū)縱剖面上最大雷諾應(yīng)力沿程逐漸減小，而在豎縫區(qū)則沿程逐漸增大。