溢流堰與豎縫組合式魚道紊流結(jié)構(gòu)試驗研究

董志勇,余俊鵬,黃 洲

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

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,人們對水資源的需求日益增長,在河流上修筑了許多水閘、大壩等水工建筑物,這些工程在興利除害的同時對生態(tài)環(huán)境也帶來一些影響[1],例如對魚類洄游造成阻礙。魚道作為一種生態(tài)補償工程,對于保護魚類資源,恢復(fù)河流生物多樣性起著重要作用[2]。已有研究資料[3]表明,在全球已建成的魚道中,魚類能夠溯游通過的魚道尚不足一半。因此,研究魚道水力特性,尤其是魚道紊流結(jié)構(gòu)的特征,對魚道設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

魚道型式可大致分為豎縫式、堰流式、孔口式及其組合式等幾種型式。豎縫式魚道對水位變化的適應(yīng)性較好,Guiny等[4]對豎縫式魚道的水力特性和生物特性進行過較為系統(tǒng)的試驗研究；孫雙科等[5]對北京市上莊新閘豎縫式魚道的水力特性做過模型試驗研究；董志勇等在大比尺魚道模型中試驗研究了同側(cè)豎縫式魚道的水力特性[6],此外,還試驗研究了異側(cè)豎縫式魚道的水力特性[7]。堰流式魚道適宜于具有跳躍性的魚類,Rajaratnam等[8]提出了預(yù)測堰流式魚道水流流態(tài)從跌落流到滑移流的判別標準；Kim[9]試驗研究了不同堰型的水力特性及其對溢流堰魚道中魚類溯游的影響。關(guān)于紊流結(jié)構(gòu)對魚類溯游行為影響的研究,Enders等[10]研究了紊動對大西洋鮭魚游泳能量消耗的影響；Liao等[11]闡述了鮭魚在旋渦之間改變游泳姿態(tài)可以減少其軸向肌肉活動,表明合適的紊流結(jié)構(gòu)有助于魚類溯游；Liu等[12]研究了不同坡度豎縫式魚道水流的平均動能、紊動能、紊動強度及雷諾應(yīng)力；Lacey等[13]基于紊流的強度、周期、方向、規(guī)模4個特征,研究了魚類在紊流中的游泳行為。迄今為止,人們對單一式(豎縫式、堰流式、孔口式)魚道研究較多,對于組合式魚道則僅有些數(shù)值模擬研究[14- 16],而對于組合式魚道紊流結(jié)構(gòu)的試驗研究,迄今鮮有文獻報導(dǎo)。由于沿海、沿江洄游性魚類眾多,其溯游習性各異,傳統(tǒng)的單一式魚道難以滿足不同魚類的溯游習性。

本文在大比尺魚道水槽中試驗研究了凹口溢流堰與豎縫同側(cè)布置組合式魚道的紊流結(jié)構(gòu),以期提高人們對此種組合式魚道紊流結(jié)構(gòu)的認識,為優(yōu)化魚道設(shè)計、修復(fù)魚類生境提供參考。

1 試驗設(shè)備與量測技術(shù)

試驗在浙江工業(yè)大學(xué)水力學(xué)實驗室大比尺魚道水槽中進行。魚道水槽長20.0 m,寬0.6 m,深1.0 m,水槽主要由3段組成,即入流段、工作段及出流段。工作段由4個水池組成,其兩側(cè)為有機玻璃,水池沿流動方向呈階梯式,階梯高度為5 cm。凹口堰與豎縫組合式隔板在階梯以上高度均為65 cm,凹口堰寬20 cm,深25 cm,豎縫寬10 cm。三維流速由SonTek公司的Micro ADV量測,流量由出流段的矩形堰測讀。

圖1 魚道水槽坐標系示意

魚道水槽坐標系定義如圖1所示,坐標原點位于水池上游組合式隔板右下角,沿水槽縱向設(shè)為x軸,橫向為y軸,垂向為z軸。豎縫采取同側(cè)布置方式,沿垂向(z向)取不同深度水平面(10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、44 cm、48 cm),每一水平面沿縱向(x向)取多條橫線(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、30 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm、130 cm、150 cm、160 cm、165 cm、170 cm、175 cm),在每條橫線(y向)上布設(shè)多個測點(5 cm、7.5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、24 cm、28 cm、32 cm、36 cm、40 cm、45 cm、50 cm、52.5 cm、55 cm、57.5 cm)。試驗流量Q=49.7 L/s,相應(yīng)的水池斷面平均流速U=15.9 cm/s。以3號水池作為試驗水池,水池長L=180 cm,水池寬B=60 cm,池內(nèi)水深H=52 cm。定義z=0～20 cm為水池底層,z=20～40 cm為水池中層,z=40～52 cm為水池表層。工作段水池水位采用自動水位測量系統(tǒng)實時量測。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 三維時均流速

2.1.1 縱向流速

水池前部縱向流速沿橫向分布如圖2(a)所示,從圖中可以看出,表層z=48 cm由于受到凹口堰跌落射流的影響,凹口堰附近縱向流速較大,其他深度的縱向流速沿橫向分布具有壁面射流流速分布的特征。平面壁面射流分布規(guī)律如圖中實線所示,可表示為

(1)

式中:u為縱向流速,cm/s。

圖2 不同橫斷面上縱向流速沿橫向分布

圖2(b)為水池后部縱向流速沿橫向分布,由圖可見,相對于水池前部,凹口堰對表層水流的影響明顯小于水池前部,圖中實線為壁面射流,可表示為

(2)

2.1.2 橫向流速與垂向流速

圖3為水池橫向流速沿橫向分布,除表層外,其他深度的試驗點可擬合為

(3)

式中:v為橫向流速,cm/s。

從圖中可以看出,除堰流區(qū)表層外,水池后部橫向流速基本為負值,表明水流受隔板阻擋形成沖擊射流,往遠離豎縫的方向流動,從而形成回流。水池垂向流速沿橫向分布如圖4所示,垂向流速可擬合為

(4)

式中:w為垂向流速,cm/s。

圖3 橫向流速沿橫向分布(x=175 cm)

圖4 垂向流速沿橫向分布(x=90 cm)

2.1.3 最大縱向流速衰減規(guī)律

三維紊動射流按其最大速度衰減率可分為3個明顯不同流動區(qū)域,即勢流核心區(qū)、特征衰減區(qū)和徑向型衰減區(qū),可表示成冪函數(shù)形式:

(5)

式中:um為任意x處的最大流速,cm/s；R為出流孔水力半徑,cm；n為衰減指數(shù)。

圖5 最大流速沿程衰減

不同深度最大流速沿程衰減如圖5所示,依照式(5),x/R在0～10內(nèi)可擬合為一條直線,x/R>10可擬合為

(6)

與平面自由壁面射流對比,組合式魚道的壁面射流區(qū)存在勢流核心區(qū)和特征衰減區(qū),但未出現(xiàn)徑向型衰減區(qū),且特征衰減區(qū)的表層流速衰減相對緩慢,主要是由壁面射流卷吸所致。

2.2 紊動強度

紊動強度是表征流速脈動強弱的一個特征量,可表示為

(7)

圖6(a)為縱向紊動強度沿橫向分布,由圖可見,縱向紊動強度在堰流區(qū)較大,其他區(qū)域則較平緩。由于凹口堰跌落射流流速較大,卷吸周圍流體和劇烈摻混,致使堰流區(qū)表層的紊動強度較大。橫向紊動強度沿橫向分布如圖6(b)所示,從圖中可以看出,水池中部橫向紊動強度為中間大兩邊小,呈上凸型分布。

圖6 紊動強度變化

2.3 雷諾應(yīng)力

雷諾應(yīng)力的變化取決于紊流的擴散、產(chǎn)生、耗散及應(yīng)力應(yīng)變的綜合效應(yīng)。相對雷諾應(yīng)力可表示為

(8)

水平面(z=48 cm)上雷諾應(yīng)力(ηxy)沿橫向分布與縱剖面(y=32 cm)上雷諾應(yīng)力(ηxz)沿程變化如圖7所示,由圖可見,水池前部堰流區(qū)和豎縫壁面射流區(qū)表層的雷諾應(yīng)力較大,且堰流區(qū)左右兩側(cè)雷諾應(yīng)力方向相反,中部和后部的雷諾應(yīng)力相對較小。堰流區(qū)表層前部的雷諾應(yīng)力明顯比中、后部大,中、底層則基本沿程不變,表明凹口堰跌落射流對表層雷諾應(yīng)力影響較大,主要是由跌落射流劇烈紊動摻混所致。

圖7 雷諾應(yīng)力變化

2.4 自相關(guān)系數(shù)

流場中某一特征點不同時段τ的相關(guān)系數(shù),稱為該點的自相關(guān)系數(shù)RL,可表示為

(9)

式中:u′(t)為特征點t時刻的縱向脈動流速;u′(t+τ)為特征點t+τ時刻的縱向脈動流速。

水池中部水流特性對魚類的溯游有著重要影響,因此,分析水池中部表層不同區(qū)域的自相關(guān)系數(shù)變化具有重要意義。水池中部表層不同區(qū)域自相關(guān)系數(shù)如圖8所示。從圖中可以看出,豎縫壁面射流區(qū)的自相關(guān)系數(shù)相對于堰流區(qū)略小,但周期更短,表明豎縫壁面射流區(qū)的渦旋變化較快,渦旋之間的相關(guān)性比堰流區(qū)差。

圖8 自相關(guān)系數(shù)

2.5 紊動尺度

對自相關(guān)系數(shù)進行時間積分可以得到相應(yīng)的積分時間尺度ΛL,以衡量紊流場中不同渦旋的平均尺度,可表示為

(10)

圖9為不同區(qū)域積分尺度變化情況,從圖中可以看出,堰流區(qū)的積分尺度遠大于豎縫壁面射流區(qū),且隨時間呈不斷增大的趨勢,表明在堰流區(qū)存在較大尺度的渦旋結(jié)構(gòu)。

圖9 積分尺度

將自相關(guān)系數(shù)對時間求二次導(dǎo)數(shù)可以得到相應(yīng)的微分時間尺度λL,表征引起脈動流速當?shù)刈兓奈⑿u旋平均大小的一種度量,可表示為

(11)

圖10為不同區(qū)域微分尺度變化情況,從圖中可以看出,豎縫壁面射流區(qū)的微分尺度明顯比堰流區(qū)微分尺度大,意味著豎縫壁面射流區(qū)的微小渦旋比堰流區(qū)多。豎縫壁面射流區(qū)大部分都是一些微小的渦旋,而堰流區(qū)的渦旋尺度則明顯比豎縫壁面射流區(qū)大。

圖10 微分尺度

3 結(jié) 論

通過聲學(xué)多普勒測速儀實測溢流堰與豎縫組合式魚道的三維瞬時流速,得到以下主要結(jié)論:

(1) 魚道水池內(nèi)有兩股水流相互作用影響,縱向流速起主導(dǎo)作用。

(2) 堰流區(qū)的跌落射流對紊動強度和雷諾應(yīng)力都有較大的影響,紊動強度和雷諾應(yīng)力均在此處出現(xiàn)峰值,這種紊流結(jié)構(gòu)有助于吸引具有跳躍習性的魚類過堰。

(3) 堰流區(qū)易于產(chǎn)生大尺度渦旋,豎縫壁面射流區(qū)則生成許多小尺度渦旋。

(4) 相比于單一式魚道,溢流堰與豎縫組合式魚道水流流態(tài)受凹口堰跌落射流和豎縫壁面射流共同作用,呈現(xiàn)出復(fù)雜的三維紊流結(jié)構(gòu)。