基于Flow-3d 的異側(cè)豎縫底孔組合式魚(yú)道水力特性研究

范聰喆,劉 科,劉彬俠,陳 卓

（陜西省江河水庫(kù)工作中心,陜西 西安 710018）

1 前言

隨著人類社會(huì)發(fā)展,水利工程在防洪、發(fā)電、灌溉等方面發(fā)揮著巨大作用,但同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境也造成了一定影響[1]。特別是水庫(kù)大壩的修建阻礙了魚(yú)類洄游上溯進(jìn)行基因交流,破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。為了緩解水壩對(duì)魚(yú)類洄游通道的阻隔作用,在水利工程內(nèi)部設(shè)置魚(yú)道等過(guò)魚(yú)設(shè)施,形成連接通道,可保障魚(yú)類洄游、促進(jìn)上下游種群和基因交流[3]。近年來(lái),隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視,河流筑壩開(kāi)發(fā)時(shí)修建過(guò)魚(yú)設(shè)施成為必不可少的環(huán)節(jié)[4]。

魚(yú)道可分為單一式魚(yú)道和組合式魚(yú)道,單一式魚(yú)道按體型又可分為豎縫式魚(yú)道、孔口式魚(yú)道及溢流堰式魚(yú)道[5]。現(xiàn)有研究多為單一式魚(yú)道,但洄游性魚(yú)類眾多,其溯游習(xí)性各異,傳統(tǒng)的單一式魚(yú)道不能同時(shí)滿足多種魚(yú)類的溯游習(xí)性,研究組合式魚(yú)道就越發(fā)重要[6]。同時(shí),大多數(shù)魚(yú)道的水力設(shè)計(jì)只考慮流速因素,忽略了魚(yú)道內(nèi)水流的紊流特性。Herskin等認(rèn)為[7],魚(yú)類成群溯游時(shí),可從領(lǐng)頭魚(yú)產(chǎn)生的旋渦中受益。若魚(yú)道中存在這種生態(tài)友好型的水流形態(tài),有利于魚(yú)類溯游,因此在研究魚(yú)道可行性時(shí),應(yīng)適當(dāng)考慮紊動(dòng)能變化。

本文利用Flow-3d 軟件模擬魚(yú)道的流態(tài)分布規(guī)律,分析魚(yú)道流速、紊動(dòng)能與過(guò)魚(yú)對(duì)象的適應(yīng)性,結(jié)合其水力特性,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。

2 研究對(duì)象和方法

2.1 研究魚(yú)道的基本體型與結(jié)構(gòu)

豎縫與孔口組合式魚(yú)道在我國(guó)應(yīng)用比較成功,某魚(yú)道全長(zhǎng)1443.0 m,上下游水頭差15.0 m,魚(yú)道底坡為1∶80,魚(yú)道隔板203 塊,單個(gè)池室長(zhǎng)度為6.0 m,有效水深3.0 m。魚(yú)道槽身標(biāo)準(zhǔn)斷面底寬5.0 m,兩側(cè)邊墻高2.5m,上接1∶2 斜坡高1 m,共高3.5 m,再接馬道,見(jiàn)圖1。隔板高度3.5 m,厚0.2 m,相鄰兩隔板的過(guò)魚(yú)孔交叉布置[8]。魚(yú)道每隔30 塊隔板設(shè)休息池,供魚(yú)類上溯時(shí)短暫休憩,休息池為平底段,長(zhǎng)10 m,斷面與魚(yú)道槽身相同。隔板下底邊3.5 m,靠一側(cè)邊坡布置,邊坡底部設(shè)置1.5 m×1.5 m 過(guò)魚(yú)底孔,見(jiàn)圖2。

圖1 魚(yú)道槽身斷面圖（單位：m）

圖2 魚(yú)道槽身隔板斷面圖（單位：m）

2.2 流動(dòng)控制方程和紊流模型

利用Flow-3d 軟件對(duì)魚(yú)道進(jìn)行水動(dòng)力數(shù)值模擬。流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算（CFD）的實(shí)質(zhì)是在計(jì)算域內(nèi)對(duì)水流控制方程進(jìn)行離散迭代求解,獲得計(jì)算域內(nèi)的水動(dòng)力因子,數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)為流動(dòng)控制方程。

（1）質(zhì)量守恒方程

式中：xi、ui和ρ分別表示在i 方向上的空間坐標(biāo)、流體流速和流體密度。

（2）動(dòng)量平衡方程

式中：fi、ui分別表示平均壓強(qiáng)、i 方向上的重力分量和流體粘性,-是由Boussinesq 假設(shè)推得的紊流雷諾應(yīng)力,采用k-ε方程,則具有如下表達(dá)式：

魚(yú)道模擬流體為不可壓縮流體,在選用紊流模型時(shí),要考慮模擬局部回流與漩渦,根據(jù)各個(gè)紊流模型的特點(diǎn),考慮采用計(jì)算精度和穩(wěn)定性較好的k-ε模型[9-11]。

3 研究對(duì)象和方法

3.1 建立三維模型

由于研究魚(yú)道較長(zhǎng),結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,為便于后期計(jì)算分析,現(xiàn)對(duì)魚(yú)道模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,選取魚(yú)道10 個(gè)池室構(gòu)建數(shù)值模型,魚(yú)道中部設(shè)置10 m 長(zhǎng)休息室。為保證模擬水流進(jìn)入魚(yú)道的穩(wěn)定性,分別在魚(yú)道進(jìn)口和出口處各設(shè)置10 m 的過(guò)渡段,隔板厚0.2 m,簡(jiǎn)化魚(yú)道基本尺寸見(jiàn)圖3,利用Rhino 軟件建立三維模型見(jiàn)圖4。

圖3 模擬魚(yú)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖（單位：m）

圖4 魚(yú)道三維模型

3.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

根據(jù)魚(yú)道原型概況并結(jié)合Flow-3d 軟件模擬特性,為提高計(jì)算的穩(wěn)定性、高效性和準(zhǔn)確性,利用模塊中的FAVOR功能進(jìn)行網(wǎng)格處理,建立由0.1 m×0.1 m×0.1 m 的均勻立方體網(wǎng)格單元構(gòu)成的三維網(wǎng)格系統(tǒng),笛卡爾坐標(biāo)系下沿xyz 坐標(biāo)軸正方向長(zhǎng)度分別92 m、3.5 m 和8 m,其網(wǎng)格系統(tǒng)恰好涵蓋魚(yú)道模型,共有2576000 個(gè)網(wǎng)格單元。

通過(guò)相關(guān)原型資料分析確定模型邊界條件為：魚(yú)道進(jìn)口段（上游邊界x-Min）設(shè)為流量邊界,流量為6.64 m3/s,水深為3 m；下游出口（下游邊界x-Max）設(shè)為壓力邊界,設(shè)定水深為3 m 的靜水定壓力；模型上部（上邊界z-Max）設(shè)置為壓力邊界,設(shè)置數(shù)值為1 個(gè)大氣壓空氣壓強(qiáng)；模型的底部（下邊界z-Min）設(shè)為固壁邊界,魚(yú)道壁面邊界條件符合流速不分離和無(wú)滑移條件,見(jiàn)圖5。

圖5 魚(yú)道模型邊界條件

結(jié)合本次模擬的實(shí)際情況確定其它相關(guān)參數(shù)：模擬流體選擇20℃的水,物理模型選擇重力模型（Gravity）、粘度與紊流模型（Viscosityd and Turbulence）,根據(jù)魚(yú)道坡降,重力加速度在z 軸負(fù)方向取-9.809 kg/s3,在x 軸正方向取0.123 kg/s3,粘度與紊流模型選擇無(wú)粘度的紊流RNG 模塊（Renomalized group model）,為提高計(jì)算效率,初始計(jì)算水位設(shè)為3 m,運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為水流狀態(tài)趨于穩(wěn)定時(shí)停止模擬,輸出數(shù)據(jù)添加流速、紊動(dòng)能等類型,數(shù)據(jù)輸出間隔為2 s。

3.3 模型驗(yàn)證

為保證數(shù)學(xué)模型的有效性及合理性,進(jìn)行相應(yīng)水力模型的比對(duì)驗(yàn)證,建立1∶10 幾何比尺模型,見(jiàn)圖6。采用紅外線流速儀對(duì)魚(yú)道內(nèi)a-b 監(jiān)測(cè)線（第五級(jí)池室的B/2、h/2 位置處,其中B 為池室寬,h 為有效水深）流速進(jìn)行測(cè)定,圖7 為試驗(yàn)實(shí)測(cè)流速與模擬流速對(duì)比,實(shí)測(cè)值與模擬值基本吻合、趨勢(shì)基本一致,說(shuō)明所建數(shù)學(xué)模型合理,模擬成果具有一定可信性。

圖6 魚(yú)道模型試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意

圖7 模擬流速對(duì)比

4 結(jié)果分析

4.1 流速分析

因魚(yú)道內(nèi)不同水深的流態(tài)差異較大,為更好地研究組合式魚(yú)道的水力特性,現(xiàn)將魚(yú)道沿xy 平面取三個(gè)水深剖面進(jìn)行分析,分別為底層水體H1=0.1H=0.3 m；次底層水體H2=0.25H=0.75 m（底孔中部）；表層水體H3=0.6H=2.4 m；其中H 為自由表面水深,H1、H2、H3為距魚(yú)道底部高度,分析平面布設(shè)見(jiàn)圖8。

圖8 分析平面布設(shè)示意

為提高分析準(zhǔn)確性,選取典型段（x=22.1～28.8）進(jìn)行分析,即魚(yú)道第3 池室,三四隔板之間。圖9 為典型段不同水深的x-y 剖面流速分布圖,典型段各層水體流速統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。底層水體（H1=0.3 m）平均流速為0.845 m/s,受過(guò)水?dāng)嗝媸湛s影響,底孔流速增大,但底孔流速略小于豎縫流速,且底近孔邊壁側(cè)流速較近隔板側(cè)流速低,符合魚(yú)類洄游喜貼壁的生理特性。由于隔板阻擋,隔板后方形成小型低流速回流區(qū)（平均流速為0.15 m/s）,為魚(yú)類上溯途中提供小型短暫休憩區(qū)。次底層水體（H2=0.75 m）平均流速為0.692 m/s,底孔流速整體偏大,流場(chǎng)分布較底層均勻,流體大部分經(jīng)下一級(jí)隔板潛孔流出,在兩級(jí)隔板之間生成回流區(qū),在底孔下游也有小型回流區(qū)產(chǎn)生。表層水體（H3=2.4 m）平均流速為0.175 m/s,小于底層和中層分析平面平均流速,水體流態(tài)相對(duì)較為簡(jiǎn)單,在隔板后形成較大漩渦,水流呈“s 型”軌跡繞過(guò)隔板。圖10 為全魚(yú)道x-z 剖面流速分布圖。由圖可知,各池室x-z 剖面流速分布與典型池室基本一致。根據(jù)上述分析,組合式魚(yú)道的設(shè)計(jì)能夠很好地滿足大部分魚(yú)類上溯。

表1 魚(yú)道水力參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖9 典型段不同水深下x-y 剖面流速分布圖

圖10 全魚(yú)道x-z 剖面流速分布圖

4.2 紊動(dòng)能分析

紊動(dòng)能可用于度量由于紊動(dòng)流速波動(dòng)而導(dǎo)致動(dòng)能增加的程度,紊動(dòng)能對(duì)魚(yú)類洄游影響較大,若紊動(dòng)能過(guò)大影響魚(yú)類對(duì)于方向的判斷,削弱魚(yú)類游泳能力和平衡能力,增大魚(yú)類上溯的能量消耗,從而影響魚(yú)類上溯率,甚至?xí)?duì)魚(yú)類的生理能力造成不可逆損傷。因此合適的紊動(dòng)能是魚(yú)道設(shè)計(jì)的重要參考指標(biāo),可為魚(yú)類洄游提供有利流態(tài),保障魚(yú)類上溯條件。典型段不同水深下x-y 剖面紊動(dòng)能分布見(jiàn)圖11。

由圖11 可知,對(duì)于底層水體（H1=0.3 m）的紊動(dòng)能最高值可達(dá)到0.162 m2/s2,為三層水體最小,紊動(dòng)能最大值分布在各級(jí)擋板的上游區(qū)域,擋板近豎縫側(cè)的下游也存在小范圍的紊動(dòng)能值偏高區(qū)域,順?biāo)鞣较驇罘植?。次底層水體（H2=0.75 m）的紊動(dòng)能最高值可達(dá)到0.225 m2/s2,紊動(dòng)能的分布規(guī)律與底層水體基本相同,較底層水體有所增加,近豎縫側(cè)的高紊動(dòng)能區(qū)域較底層水體縮小。表層水體（H3=2.4 m）的紊動(dòng)能最高值為0.212 m2/s2,高紊動(dòng)能區(qū)域與主流軌跡部分重疊,回流區(qū)紊動(dòng)能較小。魚(yú)道池室內(nèi)的三層水體紊動(dòng)能基本在0.131 m2/s2以下,符合魚(yú)類洄游條件。全魚(yú)道x-z 剖面紊動(dòng)能分布圖見(jiàn)圖12,由圖可知,各池室剖面紊動(dòng)能流態(tài)分布與典型池室基本一致。魚(yú)道各層水體紊動(dòng)能統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖11 典型段不同水深下x-y 剖面紊動(dòng)能分布圖

圖12 全魚(yú)道x-z 剖面紊動(dòng)能分布圖

5 結(jié)論

本文利用Flow-3d 對(duì)異側(cè)豎縫底孔式組合式魚(yú)道水動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析研究得出以下結(jié)論：

（1）池室流速隨水深增加逐漸增大,隔板后存在低流速回流區(qū),為魚(yú)類洄游過(guò)程提供短暫休憩場(chǎng)所,表層流體流速較低,在隔板后形成較大漩渦,水流“s 型”依次繞過(guò)各級(jí)隔板流動(dòng)。

（2）開(kāi)孔高度內(nèi),紊動(dòng)能隨水深增加而減小,在未開(kāi)孔高度隨水深增加逐漸降低,魚(yú)道池室內(nèi)大部分區(qū)域的紊動(dòng)能均在0.131 m2/s2以下,符合魚(yú)類洄游條件,高紊動(dòng)能區(qū)域與主流軌跡部分重疊,回流區(qū)紊動(dòng)能較小。

綜上所述,組合式魚(yú)道能為魚(yú)類上溯提供適宜的水力條件,充分發(fā)揮魚(yú)道功能,對(duì)提高魚(yú)類的上溯率具有重要作用,本文的研究思路與方法可為魚(yú)道的設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供參考。