新型豎縫式雙池室魚(yú)道設(shè)計(jì)及其水力特性分析

謝美鈴，付成華，吳一杰

(西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039)

魚(yú)道可以溝通魚(yú)類(lèi)洄游路線、恢復(fù)魚(yú)類(lèi)洄游生活，讓魚(yú)類(lèi)進(jìn)行生殖或索餌洄游，對(duì)于保護(hù)水產(chǎn)資源、發(fā)展?jié)O業(yè)生產(chǎn)有一定的積極作用。魚(yú)道是通過(guò)修建坡度較緩的水槽并在其中設(shè)置卡口將水位差分解成多個(gè)較小落差，利用消能減速以及控制水流流量和縮短魚(yú)道長(zhǎng)度等措施來(lái)創(chuàng)造適合于魚(yú)類(lèi)上溯的流態(tài)，從而幫助魚(yú)類(lèi)洄游通過(guò)的工程結(jié)構(gòu)[1]。中國(guó)早期魚(yú)道建設(shè)主要依靠國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，魚(yú)道在運(yùn)行時(shí)不能完全滿足國(guó)內(nèi)主要洄游魚(yú)類(lèi)的上溯要求[2]。在人與自然和諧共處的大背景下，魚(yú)道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究日益受到重視，可以激勵(lì)水利事業(yè)良性進(jìn)步并促進(jìn)生態(tài)資源可持續(xù)發(fā)展。

國(guó)內(nèi)外工程上常用的魚(yú)道主要有丹尼爾式、豎縫式、溢流堰式仿自然式等[3]。豎縫式魚(yú)道是一種池室魚(yú)道，其具有流態(tài)穩(wěn)定、對(duì)上下游水位變化適應(yīng)力強(qiáng)、過(guò)魚(yú)效率高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因而在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用[4]。傳統(tǒng)的豎縫式魚(yú)道只有一條洄游通道，洄游通道中的豎縫處是魚(yú)道流速最大的部位，必須要控制豎縫處流速小于魚(yú)類(lèi)的極限游泳速度，否則魚(yú)類(lèi)難以完成洄游[5]。傳統(tǒng)豎縫式魚(yú)道豎縫式魚(yú)道的水池長(zhǎng)寬比、豎縫斷面導(dǎo)向角等因素對(duì)魚(yú)道的水流結(jié)構(gòu)影響較大，尤其是對(duì)魚(yú)道池室內(nèi)的回流區(qū)[6]。目前國(guó)內(nèi)多位水利學(xué)者致力于改進(jìn)傳統(tǒng)豎縫式魚(yú)道的缺點(diǎn)，提出不同新型豎縫式魚(yú)道并驗(yàn)證其水力特性，為水利事業(yè)與生態(tài)環(huán)境和諧共處貢獻(xiàn)智慧。王新雷等[7]根據(jù)豎縫式魚(yú)道應(yīng)用于高水頭樞紐將占用很大平面面積這一問(wèn)題，結(jié)合螺旋原理設(shè)計(jì)了一種新型螺旋式魚(yú)道。蔡玉鵬等[8]基于豎縫式魚(yú)道研究了一種豎縫式梯形魚(yú)道，其水力特性基本滿足魚(yú)類(lèi)的洄游，且部分指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)豎縫式魚(yú)道。阮天鵬等[9]對(duì)一種新型的豎縫式魚(yú)道箱式魚(yú)道進(jìn)行水力特性研究，為箱式魚(yú)道的建設(shè)及應(yīng)用提供一定技術(shù)與理論依據(jù)。

在前人研究基礎(chǔ)上，基于生態(tài)可持續(xù)發(fā)展理念，本文設(shè)計(jì)了一種豎縫式雙池室魚(yú)道[10]，通過(guò)對(duì)魚(yú)道池室內(nèi)水流流態(tài)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，其水力特性較易滿足魚(yú)類(lèi)洄游條件，具有洄游通道數(shù)量多、魚(yú)類(lèi)回流區(qū)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，相關(guān)成果可為魚(yú)道工程設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)促進(jìn)河流生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 魚(yú)道設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

魚(yú)道的工作過(guò)程遵循液體連續(xù)性原理和液體運(yùn)動(dòng)能量方程，通過(guò)增大過(guò)水?dāng)嗝?、沿程水頭損失和局部水頭損失可以減小速度水頭，從而減小魚(yú)類(lèi)在魚(yú)道豎縫處受到的阻力，使魚(yú)類(lèi)更容易完成洄游。

水流連續(xù)性方程為：

A1V1=A2V2

(1)

式中A——過(guò)水?dāng)嗝?，m2；V——流速，m/s。

水流能量方程為：

(2)

式中z——位置水頭，m；p/(ρg)——壓強(qiáng)水頭，m；u2/(2g)——流速水頭，m；α——?jiǎng)幽苄Ｕ禂?shù)；hw——水頭損失，m。

豎縫式雙池室魚(yú)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有3條洄游通道，不僅增加了魚(yú)道豎縫處過(guò)魚(yú)、過(guò)水?dāng)嗝娉叽?，同時(shí)使水流得到充分摻混，增大了水頭損失。根據(jù)魚(yú)道工作原理，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)魚(yú)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化目的。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

豎縫式雙池室魚(yú)道單元由多階新型U型隔板、底板和邊墻構(gòu)成。魚(yú)道運(yùn)行時(shí)，每階U型隔板與邊墻之間設(shè)有邊豎縫，各階U型隔板之間設(shè)有中間豎縫。各階U型隔板將魚(yú)道分為多個(gè)單元池室，每個(gè)單元池室分為消能池室A和休息池室B(圖1)。

圖1 豎縫式雙池室魚(yú)道結(jié)構(gòu)示意

2 數(shù)值模型

2.1 控制方程

采用Fluent軟件中的RNGκ-ε模型和速度-壓力耦合SIMPLE算法進(jìn)行魚(yú)道數(shù)值模擬計(jì)算。在采用RNGκ-ε模型求解流場(chǎng)時(shí)主要有連續(xù)方程、動(dòng)量方程、κ方程和ε方程，各方程表達(dá)式如下：

連續(xù)性方程為：

(3)

動(dòng)量方程為：

(4)

κ方程為：

(5)

ε方程為：

(6)

2.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

已有研究表明，豎縫式魚(yú)道的池內(nèi)水流具有明顯的二元特征，垂直方向上的水流流速可忽略不計(jì)[11-13]。本文設(shè)計(jì)的新型豎縫式魚(yú)道與傳統(tǒng)豎縫式魚(yú)道結(jié)構(gòu)相似，因此本研究選用平面二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。豎縫式雙池室魚(yú)道二維模型見(jiàn)圖2，圖中箭頭方向?yàn)樗鞣较?，初步擬定魚(yú)道總長(zhǎng)度L=25.54 m，魚(yú)道池室寬度B=3.00 m。由2個(gè)U型隔板組成的單元長(zhǎng)度l=3.60 m，共擬設(shè)10階U型隔板，入口邊界距第1階U型隔板3.60 m，第10階U型隔板距離出口邊界3.60 m。U型隔板厚度為0.20 m，隔板彎頭處為90°，外緣為圓弧形。魚(yú)道邊豎縫b1=b2=0.20 m，中間豎縫b3=0.40 m。初步擬定的結(jié)構(gòu)尺寸僅為研究豎縫式雙池室魚(yú)道水力特性，具體實(shí)際工程中則需根據(jù)實(shí)際工程情況、洄游魚(yú)類(lèi)的體型和游泳能力等因素綜合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 豎縫式雙池室魚(yú)道模型尺寸

2.2.1網(wǎng)格劃分

使用ICEM CFD對(duì)所建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，魚(yú)道模擬區(qū)域采用三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)15 965，節(jié)點(diǎn)數(shù)7 936，劃分后魚(yú)道網(wǎng)格模型見(jiàn)圖3。

圖3 豎縫式雙池室魚(yú)道網(wǎng)格模型

2.2.2邊界條件

根據(jù)邊永歡等[4]研究，豎縫式魚(yú)道的豎縫處斷面平均流速值在0.8～2.0 m/s內(nèi)時(shí)，其流速大小對(duì)魚(yú)道池室內(nèi)各水力參數(shù)無(wú)顯著影響。本文參考豎縫式魚(yú)道的特性對(duì)豎縫式雙池室魚(yú)道進(jìn)行研究，不失代表性地設(shè)置入口邊界流速為0.3 m/s，將豎縫式雙池室魚(yú)道的豎縫斷面處流速控制在0.8～2.0 m/s范圍內(nèi)。豎縫式雙池室魚(yú)道出口邊界設(shè)置為自由出流，邊墻和隔板均設(shè)置為無(wú)滑移速度邊界條件。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 池室內(nèi)水流流態(tài)

池室內(nèi)流態(tài)結(jié)構(gòu)是魚(yú)道水力學(xué)研究的重點(diǎn)，豎縫式雙池室魚(yú)道池室流線見(jiàn)圖4。

圖4 豎縫式雙池室魚(yú)道池室流線(m/s)

豎縫式雙池室魚(yú)道池室內(nèi)流態(tài)結(jié)構(gòu)主要分為中間主流區(qū)、兩側(cè)邊主流區(qū)和各階休息池室的回流區(qū)，共3條洄游通道。洄游魚(yú)類(lèi)沿著較高流速的主流區(qū)洄游上溯，同時(shí)也可以在穩(wěn)定的回流區(qū)休息以恢復(fù)體能。

水流受到U型隔板的阻礙后在中間豎縫處橫向收縮，再進(jìn)入消能池室充分摻混擴(kuò)散并發(fā)生了一定橫向偏轉(zhuǎn)，有效地利用魚(yú)道進(jìn)行了消能，然后進(jìn)入下一階中間豎縫從而形成了一條經(jīng)過(guò)各階中間豎縫的連續(xù)平滑穩(wěn)定的中間主流區(qū)。水流受到U型隔板和邊墻的阻礙后發(fā)生橫向收縮在各階邊豎縫處形成兩側(cè)邊主流區(qū)，兩側(cè)邊主流沿著粗糙的邊墻連續(xù)流動(dòng)。水流在各階休息池室中形成了非常穩(wěn)定且被U型隔板保護(hù)起來(lái)的低流速回流區(qū)。

3.2 池室內(nèi)水流流速

豎縫式雙池室魚(yú)道池室內(nèi)速度分布見(jiàn)圖5。

圖5 豎縫式雙池室魚(yú)道池室流速云圖(m/s)

為降低邊界條件對(duì)魚(yú)道池室水力特性的影響，本文重點(diǎn)對(duì)第5和第6階池室水流流速進(jìn)行數(shù)值分析。最大流速Vmax=1.35 m/s出現(xiàn)在豎縫式雙池室魚(yú)道邊豎縫處，中間主流區(qū)流速為0.51～1.23 m/s，兩側(cè)邊豎縫主流區(qū)流速為0.62～1.35 m/s。休息池室中的回流區(qū)流態(tài)穩(wěn)定且流速較小，流速為0～0.30 m/s，能為魚(yú)類(lèi)創(chuàng)造良好的休息條件以恢復(fù)體能[14-16]。

豎縫式雙池室魚(yú)道豎縫處流速有著明顯的兩側(cè)小中間大的現(xiàn)象，具有豐富的流場(chǎng)信息，能夠給不同魚(yú)類(lèi)提供上溯信息供其洄游。同時(shí)，中間豎縫處流速小于邊豎縫處流速，可供幼魚(yú)等游泳能力較差的魚(yú)類(lèi)或幼魚(yú)通過(guò)，提高了魚(yú)道的適用范圍。如第5階中間豎縫處水流平均流速為 1.01 m/s，第5階中間豎縫對(duì)應(yīng)的兩側(cè)邊豎縫處水流平均流速為1.24 m/s。

3.3 池室水流紊動(dòng)能

豎縫式雙池室魚(yú)道池室紊動(dòng)能分布見(jiàn)圖6。

圖6 豎縫式雙池室魚(yú)道池室紊動(dòng)能分布云圖(m2/s2)

紊動(dòng)能可以反映水流的紊動(dòng)狀態(tài)，魚(yú)道池室內(nèi)紊動(dòng)能超過(guò)魚(yú)類(lèi)可承受范圍則不利于魚(yú)類(lèi)洄游，如傷害魚(yú)類(lèi)眼睛和魚(yú)鰭、破壞魚(yú)類(lèi)平衡能力、耗盡魚(yú)類(lèi)體能和使魚(yú)類(lèi)迷失上溯方向等。根據(jù)已有研究表明，魚(yú)道池室紊動(dòng)能越小，則池室內(nèi)水流越穩(wěn)定，魚(yú)道的過(guò)魚(yú)效率越高[17]。

本文選取第5、6階池室開(kāi)展魚(yú)道紊動(dòng)能數(shù)值研究，豎縫式雙池室魚(yú)道中第5階消能池室的紊動(dòng)能平均值為1.69×10-2m2/s2，第6階消能池室紊動(dòng)能值小于第5階，為1.57×10-2m2/s2。休息池室中回流區(qū)的紊動(dòng)能較小且穩(wěn)定，兩階池室的紊動(dòng)能平均值均為0.18×10-2m2/s2，水流接近靜水狀態(tài)，滿足魚(yú)類(lèi)休息條件[18]。魚(yú)道消能池室中的紊動(dòng)能顯著大于休息池室，水流可以充分地在魚(yú)道消能池室中進(jìn)行摻混擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)有效消能，局部最大值為0.06 m2/s2。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)RNGκ-ε模型和速度-壓力耦合SIMPLE算法對(duì)新設(shè)計(jì)的豎縫式雙池室魚(yú)道進(jìn)行二維數(shù)值模擬分析計(jì)算，主要結(jié)論如下。

a)豎縫式雙池室魚(yú)道具有3條主流區(qū)作為洄游通道，具有非常穩(wěn)定且被U型隔板保護(hù)起來(lái)的低流速回流區(qū)。

b)豎縫式雙池室魚(yú)道池室內(nèi)水流具有豐富的流速信息，能夠給不同魚(yú)類(lèi)提供上溯信息供其洄游。

c)豎縫式雙池室魚(yú)道休息池室中回流區(qū)的紊動(dòng)能較小且穩(wěn)定，消能池室中的紊動(dòng)能明顯大于休息池室。

豎縫式雙池室魚(yú)道作為一種新型魚(yú)道，其水力特性較易滿足魚(yú)類(lèi)洄游條件，符合可持續(xù)建設(shè)理念，相關(guān)成果可為魚(yú)道工程設(shè)計(jì)提供參考。