豎縫式魚道90°轉(zhuǎn)彎段水力特性研究

李明泉，蔡德所，吳攀高，李 烈

（1.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院 廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點實驗室，南寧 530023；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，南寧 530023）

0 引言

魚道在國內(nèi)的發(fā)展大約起于20 世紀(jì)60 年代，中間經(jīng)歷了20 年左右的停滯期，2000 年以后隨著人們意識到生態(tài)環(huán)境的重要性，魚道迎來了二次發(fā)展時期[1，2]。2000年以前，國內(nèi)學(xué)者對魚道的水力特性鮮有研究；隨后，隨著流體力學(xué)軟件的飛速發(fā)展[3]，水力特性的研究越發(fā)便利，人們對魚道水力特性的研究也逐漸增多。

2008年，董志勇等人建立了異側(cè)豎縫式魚道模型，實測了魚道模型主流區(qū)的流速，分析了不同流量，在相同水深下，流速的沿程變化[4]。2009 年，徐體兵等人研究了豎縫式魚道水池長寬比變化及墩頭對水流結(jié)構(gòu)的影響，并進行了模型實驗[5]。2011年，毛熹等人通過魚道模型試驗，測量了某一池室內(nèi)的流速分布，并提出了一種優(yōu)化的新型魚道結(jié)構(gòu)[6]。2012 年，張國強等人對豎縫寬度和豎縫式魚道水流結(jié)構(gòu)的關(guān)系做了數(shù)值模擬研究，分析了主流區(qū)的流速曲線及豎縫式斷面處的流速分布，給出了豎縫式魚道豎縫寬度合理的取值范圍[7]。2013 年，邊永歡等人研究了豎縫式魚道豎縫斷面和主流區(qū)的流速分布，以及回流區(qū)的水流結(jié)構(gòu)特性[8]。2015年，邊永歡等人對豎縫式魚道90°轉(zhuǎn)彎段的水力特性進行了數(shù)值模擬，提取了主流區(qū)最大流速軌跡曲線，并針對水流結(jié)構(gòu)，提出了改進措施[9]。

我國雖然在魚道水力特性的研究取得一定的成就，但仍有許多魚道處于運行情況不佳的狀態(tài)。我國魚道的主要過魚對象與外國不同，不能照搬國外經(jīng)驗。魚道沿岸布置時，受到地形條件的限制，常設(shè)置成90°轉(zhuǎn)彎段，國內(nèi)對魚道90°轉(zhuǎn)彎段的參考資料仍然較少，因此需結(jié)合過魚對象，對魚道90°轉(zhuǎn)彎段的水力特性進行更進一步的論證。本文以廣西老口魚道工程為背景，采用Flow-3D 軟件對其90°轉(zhuǎn)彎段的水力特性進行數(shù)值模擬研究，分析主流區(qū)的流速和紊動能等問題，以期為老口魚道過魚效果評價及今后的魚道設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 建立模型

1.1 物理模型

物理模型的原型為廣西老口航運樞紐的魚道工程，采用1∶1的比例建立物理模型。采用Rhinoceros 軟件繪制魚道三維模型，并保存成stl 格式文件，以便于導(dǎo)入Flow-3d 軟件，進行三維模擬計算。相較于平直段魚道，90°轉(zhuǎn)彎段為魚道的特殊段，為了避免90°轉(zhuǎn)彎段內(nèi)的水力特性受到邊界條件的影響，在魚道模型的進口及出口各增加2 個池室[7，9]。模型由平直段的4 個池室和90°轉(zhuǎn)彎段的3 個池室組成。沿模型中軸線，模型長30.7 m，寬3.6 m，高2.8 m，墻和底板厚度設(shè)為0.3 m，每個池室長3.3 m，寬3 m。由于所取90°轉(zhuǎn)彎段模型較短，底坡變化不大，故不考慮底坡的影響。模型的整體布置如圖1所示，橫隔板及導(dǎo)板等細(xì)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 魚道整體布置圖

圖2 池室細(xì)部結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

1.2 數(shù)學(xué)模型

Flow-3D對自由液面有強大的捕捉能力，把水流看成不可壓縮的流體，對水流的紊流流動，采用Flow-3D中內(nèi)置的RNG k-ε湍流模型[10]，控制方程如下：

（1）連續(xù)方程

式中：ρ為流體密度；VF為可流動的體積分?jǐn)?shù)；t為時刻；Gx、Gy和Gz分別為物體在x、y和z3個方向的重力加速度；fx、fy和fz分別為x、y和z3個方向的粘滯力加速度；p為壓強。

（3）湍動能kT方程：

式中：Diffε為擴散項；GT為重力加速度；CDIS1、CDIS2和CDIS3為常數(shù)項，其值分別為1.44、1.92和0.2。

采用truVOF方法追蹤自由表面流動，求解水氣兩相的體積分?jǐn)?shù)連續(xù)方程，以此確定自由液面位置。其方程如下：

2 模擬計算

為了使模型充分計算，得到水流穩(wěn)定后的計算結(jié)果，本次模擬計算總時間定為300 s，模型加載20℃的水流。模擬選擇的網(wǎng)格為立方體網(wǎng)格（0.1 m×0.1 m×0.1 m），模型總共被劃分為433 541 個網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完畢后，可采用Flow-3D 內(nèi)置的FAVOR功能查看網(wǎng)格劃分后的模型，對于外形有缺陷的地方可進行局部加密，提高模型計算的準(zhǔn)確性。

模擬選擇的對象為魚道90°轉(zhuǎn)彎段，為了減少對轉(zhuǎn)彎段模擬計算的影響，把模型分為3 個部分——兩端的平直段和90°轉(zhuǎn)彎段[9]。網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分

魚道模型的兩側(cè)墻壁和池底的邊界條件均設(shè)置為固壁邊界；頂端設(shè)置為壓力邊界，流體分?jǐn)?shù)設(shè)置為0，表示魚道模型的上方為空氣；水流進口和束流出口同樣設(shè)置為壓力邊界，壓力為靜水壓力，按照老口魚道的設(shè)計水位，將水流進口的水深設(shè)為2.0 m，水流出口的水深設(shè)為1.6 m。邊界條件見圖4。

圖4 邊界條件

壓力求解方式采用GMRES 方法。時間步長的設(shè)置均使用默認(rèn)值（Flow-3D 默認(rèn)的時間步長為1.0×e-6×Finish time），F(xiàn)low-3D會根據(jù)實際情況自動進行計算[11]。

3 模擬結(jié)果

3.1 水流流態(tài)

魚道設(shè)計的成功與否，與魚道的水流流態(tài)的好壞有很大的關(guān)系。老口魚道設(shè)計運行水深為2.0 m，模型計算結(jié)束后，取距池底高度分別為H=0.5 m 和H=1.0 m的平面，做成切片，流態(tài)分布見圖5。

圖5 流態(tài)分布圖

從圖5可以看出，豎縫式魚道90°轉(zhuǎn)彎段有明顯的主流區(qū)和回流區(qū)，明顯的主流區(qū)有助于魚類洄游時感應(yīng)方向，回流區(qū)流速普遍低于主流區(qū)，可為魚類洄游時提供臨時休息的場所；同一深度，不同池室流態(tài)分布相似，不同水深相同池室水流流態(tài)分布也相似。為了研究豎縫式魚道90°轉(zhuǎn)彎段主流區(qū)的流速情況，在90°轉(zhuǎn)彎段沿主流區(qū)，從上游到下游依次選取12個測點（見圖6），得到不同水深主流區(qū)流速的沿程變化圖（見圖7）。

圖7 主流區(qū)流速分布圖

從圖7可以看出，水流進入豎縫式魚道90°轉(zhuǎn)彎段后，流速略有提升，其中測點4 和測點10 是豎縫處測點，表明水流在通過豎縫時流速降低，通過豎縫后流速增加；主流區(qū)的最低流速約為0.65 m/s，最高流速約為1.2 m/s，回流區(qū)的流速普遍低于0.5 m/s，回流中心的流速趨近于0；整體來說，相同位置，距池底越高流速越低。

3.2 紊動能

紊動能的大小也是影響魚道設(shè)計及魚類過魚效果的重要因素，經(jīng)查閱文獻，發(fā)現(xiàn)對豎縫式魚道紊動能的研究較水流流態(tài)少。紊動能越小，魚道內(nèi)的水流越平穩(wěn)，魚類通過魚道的可能性就越高[7，12]。和研究水流流態(tài)一樣，取距池底高度分別為H=0.5 m和H=1.0 m的平面，做成切片，紊動能分布見圖8。

圖8 紊動能分布圖

從圖8 可以看出豎縫式魚道90°轉(zhuǎn)彎段紊動能的分布和水流流態(tài)基本一致，同一深度，不同池室紊動能分布相似，不同水深相同池室紊動能分布也相似。中間回流區(qū)的紊動能最小，最小值趨近于0。為了研究豎縫式魚道90°轉(zhuǎn)彎段主流區(qū)的紊動能情況，在90°轉(zhuǎn)彎段沿主流區(qū)，從上游到下游依次選取12 個測點（見圖6），得到不同水深主流區(qū)紊動能的沿程變化圖（見圖9）。

圖9 主流區(qū)紊動能分布圖

從圖9 可以看出水流進入豎縫式魚道90°轉(zhuǎn)彎段時，主流區(qū)紊動能略有提升，隨后趨于穩(wěn)定。主流區(qū)紊動能最低約為0.010 J/kg，最高為0.025 J/kg。整體來說，相同位置，距池底越高紊動能越大。

4 討論

老口魚道的主要過魚對象為常見的“四大家魚”（青魚、草魚、鰱魚和鳙魚）[10]，目前國內(nèi)魚類游泳能力的研究資料較少，根據(jù)《水利水電工程魚道設(shè)計導(dǎo)則》（SL 609-2013）[13]，“四大家魚”的游泳能力見表1。

一般來說，魚類的極限流速和體長是成正比的[14]，結(jié)合表1可知，體長0.50～0.60 m的青魚比較容易通過此魚道；體長0.3 m以下的草魚和鰱魚、體長0.8 m以下的鳙魚，其極限游速小于魚道主流區(qū)的最大流速，通過魚道時會有阻礙；體長0.3 m及以上的草魚和鰱魚、體長0.8 m及以上的鳙魚，其極限游速大于魚道主流區(qū)的最大流速，可以順利通過魚道洄游。

表1 “四大家魚”的游泳能力

5 結(jié)論

本文以老口航運樞紐魚道工程90°轉(zhuǎn)彎段為原型，結(jié)合Flow-3D 軟件，對豎縫式魚道90°轉(zhuǎn)彎段進行了模擬計算，分析了90°轉(zhuǎn)彎段主流區(qū)流速和紊動能的沿程及垂向變化，得出的結(jié)論如下：

（1）豎縫式魚道90°轉(zhuǎn)彎段有明顯的主流區(qū)和回流區(qū)，明顯的主流區(qū)有助于魚類洄游時感應(yīng)方向，回流區(qū)流速普遍低于主流區(qū)，可為魚類洄游時提供臨時休息的場所；主流區(qū)流速較低，能適應(yīng)主要過魚對象大部分體長范圍的魚類通過；整體來說，相同位置，距池底越高流速越低。就流速因素而言，老口魚道90°轉(zhuǎn)彎段的設(shè)計比較合理。

（2）豎縫式魚道90°轉(zhuǎn)彎段紊動能的分布和水流流態(tài)基本一致，紊動能整體較小，最高僅為0.025 J/kg。整體來說，相同位置，距池底越高紊動能越大。就紊動能而言，老口魚道90°轉(zhuǎn)彎段的設(shè)計合理，有利于魚類洄游。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，老口豎縫式魚道90°轉(zhuǎn)彎段有著良好的水力特性（流態(tài)和紊動能），能幫助魚類洄游。由于老口魚道還未正式投入使用，具體的洄游效果如何，還需要在魚道使用中進行檢驗。