豎縫位置對(duì)異側(cè)豎縫式魚道水力特性的數(shù)值模擬與分析

李 洋，宋成杰，呂春瑋，楊阿龍，韓 雷

（1. 黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080； 2. 黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引 言

我國(guó)河流水系發(fā)達(dá)，魚類資源豐富，種類繁多，具有洄游習(xí)性的魚類不占少數(shù)。由于近年來(lái)人為修建了各種水工建筑物，阻斷了魚類洄游的天然通道，致使魚類無(wú)法上溯，部分魚類瀕臨滅絕，因而修建過(guò)魚設(shè)施十分必要［1-6］。目前應(yīng)用的過(guò)魚工程有魚閘、升魚機(jī)、集魚船和魚道等，其中魚閘和升魚機(jī)一般在高水頭水利樞紐中應(yīng)用，集魚船應(yīng)用在梯級(jí)大壩中，魚道適用于低水頭建筑物。由于魚閘、升魚機(jī)以及集魚船需要人為參與調(diào)節(jié)升降高度，操作繁瑣；魚道因其不需要人為參與，魚類自主克服上下游水位差進(jìn)行洄游產(chǎn)卵、索餌和越冬的特點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最為廣泛的過(guò)魚設(shè)施。魚道按照結(jié)構(gòu)型式可分為仿自然式魚道、槽式魚道和隔板式魚道，隔板式魚道又可分為溢流堰式魚道、淹沒(méi)孔口式魚道、豎縫式魚道和組合式魚道［1，7-9］。目前應(yīng)用最為廣泛的是豎縫式魚道，加拿大、美國(guó)和日本等魚道技術(shù)先進(jìn)國(guó)家在上世紀(jì)已開(kāi)始應(yīng)用［10-12］，應(yīng)用最早的魚道為加拿大弗雷塞（Fraser）河鬼門（Hell's Gate）峽魚道［12］；我國(guó)早期興修的安徽裕溪閘魚道、江蘇斗龍港魚道、浙江七里壟魚道以及近年來(lái)建設(shè)的北京上莊新閘魚道、西藏獅泉河魚道、長(zhǎng)洲魚道和老龍口魚道［14-20］等均采用豎縫式魚道。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)豎縫式魚道進(jìn)行了大量的研究，其中研究較多的是同側(cè)豎縫式魚道，異側(cè)豎縫式魚道的研究較少；由于隔板相交錯(cuò)，異側(cè)豎縫式魚道在相同參數(shù)設(shè)計(jì)條件下，其水流形態(tài)、回流區(qū)分布和主流流速沿程衰減規(guī)律等與同側(cè)豎縫式魚道相比，既有相同之處，又有不同之處。不同之處如張國(guó)強(qiáng)等［21］通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了豎縫寬度對(duì)同側(cè)豎縫式魚道池室內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，并得出豎縫寬度b與池室寬度B比值在0.1～0.25之間，豎縫處斷面流速分布梯度大，主流流速沿程衰減明顯，魚道池室內(nèi)消能效果好；而張羽等［22］采用數(shù)值模擬軟件Fluent 18.0研究了豎縫寬度對(duì)異側(cè)豎縫魚道池室水力特性的影響，得出豎縫寬度對(duì)異側(cè)式豎縫魚道內(nèi)的水流流態(tài)影響較大，并提出了豎縫寬度b與池室寬度（B）比值在0.15～0.20 之間，池室內(nèi)可獲得較好的水流流態(tài)；可以看出異側(cè)豎縫式魚道適宜的豎縫寬度與池室寬度比值較同側(cè)豎縫式魚道范圍較小。相同之處如郭維東等［7］在底坡一定的條件下，通過(guò)對(duì)同側(cè)豎縫式魚道物理模型進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，不同流量、不同水深平面試驗(yàn)點(diǎn)幾乎重合在一起，主流曲線的一致性表明，豎縫式魚道內(nèi)水流可以看作平面二維問(wèn)題，沿水深方向的變化可以忽略不計(jì)；而劉志雄等［8］通過(guò)研究不同池室長(zhǎng)度、不同豎縫寬度下異側(cè)豎縫式魚道的水流特性，得到各水深平面的流速主流曲線幾乎重合，說(shuō)明異側(cè)式豎縫魚道池室流態(tài)為二維流；曹慶磊等［14］通過(guò)固定池室長(zhǎng)寬比對(duì)異側(cè)豎縫式魚道水力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同水深平面主流軌跡線和流速分布曲線基本重合，從而得到異側(cè)豎縫式魚道水流結(jié)構(gòu)為二維平面流動(dòng)；董志勇等［1］通過(guò)對(duì)異側(cè)豎縫式魚道物理模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同流量時(shí)不同水平面上垂向流速在壁面射流區(qū)存在一定的相似性，故可將豎縫水流視為平面二維流動(dòng)；可以看出，無(wú)論是同側(cè)豎縫式魚道還是異側(cè)豎縫式魚道，池室垂向流速變化均較小，可以忽略不計(jì)，池室內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)二維形態(tài)的結(jié)論已經(jīng)得到學(xué)者一致認(rèn)可。郭維東等［8］經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究得到，同側(cè)豎縫式魚道池室內(nèi)主流流態(tài)平面分布大致呈現(xiàn)S 型，董志勇等［23］通過(guò)物理模型試驗(yàn)擬合出無(wú)導(dǎo)板異側(cè)豎縫式魚道主流軌跡曲線為一條4次S形態(tài)曲線，主流區(qū)流速表現(xiàn)為前半池逐漸減小，后半池逐漸增加的特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)同側(cè)與異側(cè)情況下，魚道內(nèi)水流形態(tài)一致。

關(guān)于其他以異側(cè)豎縫式魚道的研究包括：曹慶磊等［14］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)池室內(nèi)大回流區(qū)的流速、紊動(dòng)能和雷諾剪切應(yīng)力3 個(gè)指標(biāo)要小于小回流區(qū)；劉志雄等［7］發(fā)現(xiàn)池室主流流速um和豎縫的平均流速u0的比值在一個(gè)確定范圍內(nèi)；并沒(méi)有學(xué)者研究豎縫中心位置對(duì)池室水流結(jié)構(gòu)的影響。本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，探究不同豎縫位置對(duì)池室水流結(jié)構(gòu)的影響，包括主流區(qū)水力特性、回流區(qū)水力特性、豎縫位置流速和紊動(dòng)能分布，得出適合研究區(qū)魚類的魚道豎縫位置，為后續(xù)其他相關(guān)研究提供參考。

1 魚道參數(shù)設(shè)計(jì)

研究區(qū)域魚類主要為青魚、草魚、鰱魚和鳙魚四大家半洄游性魚類，過(guò)魚對(duì)象體長(zhǎng)均在0.4 m 內(nèi)。體長(zhǎng)為0.4 m 的青魚、草魚、鰱魚、鳙魚喜愛(ài)流速依次為1.25、1.27、0.9、0.8 m/s；體長(zhǎng)為0.4 m 的青魚極限流速小于1.3 m/s、草魚的極限流速大于1.2 m/s、鰱魚的極限流速為1.9 m/s、鳙魚的極限流速不超過(guò)1.2 m/s［24，25］，因而確定魚道設(shè)計(jì)流速為1.2 m/s。

本文基于國(guó)內(nèi)某水利工程開(kāi)展數(shù)值研究，各水工建筑物布置后，確定魚道坡比為1∶70，總長(zhǎng)384 m。設(shè)有70 個(gè)池室、6 個(gè)休息室、1 個(gè)魚道出口和1 個(gè)魚道進(jìn)口，其中魚道進(jìn)口和出口均長(zhǎng)20 m，每個(gè)休息室長(zhǎng)10 m，魚道進(jìn)出口以及休息室坡比為0。魚道上游出口底高程為244 m，下游進(jìn)口底高程為240 m，正常運(yùn)行工況為上游水位為246 m，下游水位為242 m，因而魚道內(nèi)采用2 m等水深運(yùn)行。

為了便于計(jì)算和分析，選取原型長(zhǎng)為42 m的魚道為研究對(duì)象，由相關(guān)研究可知，豎縫寬度b與池室寬度B之比在0.15～0.20之間［22］、魚道各級(jí)水池的池室長(zhǎng)寬比L/B在1.2～1.5［25］之間時(shí)，魚道池室內(nèi)可獲得較為理想的水流流態(tài)，本次設(shè)計(jì)池室長(zhǎng)度L=3.7 m，池室寬度B=3 m，豎縫寬度b=0.50 m，L/B=1.23、b/B=0.167，說(shuō)明尺寸設(shè)計(jì)合理?？v向?qū)О蹇梢愿纳瞥厥覂?nèi)的水流流態(tài)，橫向?qū)О鍟?huì)有效減少水流貼壁現(xiàn)象的發(fā)生，因而增設(shè)縱向?qū)О搴蜋M向?qū)О濉Ｒ詌/B為研究變量，其中l(wèi)為豎縫中心與池室邊壁的距離，通過(guò)更改池室隔板長(zhǎng)度和橫向?qū)О彘L(zhǎng)度調(diào)節(jié)豎縫位置，共選取12種豎縫位置進(jìn)行計(jì)算，l分別為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4 m 以及1.5 m，l/B分別為0.13、0.17、0.20、0.23、0.27、0.30、0.33、0.37、0.40、0.43、0.47以及0.50。魚道具體尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 魚道平面尺寸圖（單位：m）Fig.1 Fishway layout

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 基本控制方程

Fluent軟件具有穩(wěn)定性好，收斂較好的特點(diǎn)［26］，因而魚道采用專業(yè)軟件Fluent中標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型并耦合VOF模塊對(duì)水流自由表面進(jìn)行捕捉［15，22，27-31］；其中三維水流模型的控制方程如下：

連續(xù)方程：

標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型方程：

其中紊動(dòng)能：

紊動(dòng)黏性系數(shù)：

式中：ρ為密度；u、v和w是速度矢量在x、y和z方向的分量；t為時(shí)間；μ為動(dòng)力黏度；p為流體微元體上的壓力；Su、Sv和Sw是動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)；k為紊動(dòng)能；ui為時(shí)均速度；μt為紊動(dòng)黏度；模型常數(shù)Cμ=0.084 5，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3；Gk為平均速度梯度引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；ε為紊動(dòng)能耗散率。迭代計(jì)算的各項(xiàng)殘差值均為10-5，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置0.01 s。

2.2 網(wǎng)格剖分以及邊界條件

采用邊長(zhǎng)尺寸最長(zhǎng)為0.10 m、最短為0.05 m 的規(guī)則六面體對(duì)魚道進(jìn)行網(wǎng)格剖分，其中節(jié)點(diǎn)數(shù)523 215 個(gè)，網(wǎng)格數(shù)480 597個(gè)。具體剖分情況見(jiàn)圖2。

圖2 魚道網(wǎng)格剖分Fig.2 Fishway mesh generation

進(jìn)出口均為2 m 水深有壓流；邊墻以及底部設(shè)置為無(wú)滑移固壁邊界。

追蹤自由液體表面采用VOF 方法，通過(guò)計(jì)算水和氣的體積分?jǐn)?shù)來(lái)表征物體的形態(tài)，其控制方程如下：

式中：aa表示氣體的體積分?jǐn)?shù)；aw表示水的體積分?jǐn)?shù)。

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型參數(shù)設(shè)定的合理性以及網(wǎng)格剖分的正確性，對(duì)魚道進(jìn)行物理模型驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證內(nèi)容為4～5（4 與5 為順?biāo)鞣较蚋舭寰幪?hào)）池室主流區(qū)沿程最大流速曲線、池室最大流速值以及最大流速位置（流速通過(guò)無(wú)線旋槳流速儀測(cè)定）。物理模型裝置采用有機(jī)玻璃進(jìn)行制作，模型比尺為1∶5，坡比為1∶70，模型池室長(zhǎng)度為0.74 m，對(duì)應(yīng)原型的池室長(zhǎng)度為3.7 m，物理模型全長(zhǎng)10 m，內(nèi)設(shè)10組隔板。有機(jī)玻璃糙率為0.009，對(duì)應(yīng)原型的糙率為0.012，與實(shí)際工程中魚道混凝土糙率略有差別。考慮到魚道中除了豎縫斷面處水流流速較大外，各級(jí)水池邊界處的水流流速通常都較小，邊壁的沿程摩阻不大，水頭損失主要集中在豎縫斷面附近的局部區(qū)域，因而原型與模型糙率不相似所導(dǎo)致的比尺效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響可以忽略。為便于流速測(cè)量及分析，對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行布置，以左下角為測(cè)定原點(diǎn)，順?biāo)鞣较驗(yàn)閄軸，垂直水流方向?yàn)閅軸，順?biāo)鞣较蛎?.04 m 布置一個(gè)測(cè)量斷面，斷面共計(jì)21 個(gè)，每個(gè)斷面最多布置15 個(gè)測(cè)點(diǎn)，流速測(cè)量點(diǎn)共計(jì)393 個(gè)，具體布置型式見(jiàn)圖3（a）。模型流速測(cè)量后均按照比尺換算為原型流速，測(cè)量模型水深為4 cm，對(duì)應(yīng)原型水深為0.2 m，選取每個(gè)斷面最大流速與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)圖3（b）。

圖3 測(cè)點(diǎn)分布與模型驗(yàn)證Fig.3 Distribution of measuring points and model verification

從圖3（b）中可以看出，物理模型測(cè)量的最大流速位置與Y軸距離為0.2 m，最大流速為1.06 m/s；數(shù)值模擬最大流速位置與Y軸距離為0.2 m，與物理模型測(cè)量的結(jié)果一致，最大流流速為1.06 m/s，與實(shí)測(cè)值相等。數(shù)值模擬主流區(qū)沿程最大流速曲線分布規(guī)律與物理模型實(shí)測(cè)流速分布規(guī)律基本吻合，擬合誤差僅為0.07%～6.1%，說(shuō)明數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置正確，網(wǎng)格剖分合理。驗(yàn)證時(shí)數(shù)值模擬所設(shè)的糙率為0.013 6，在后面的數(shù)值模擬過(guò)程中糙率保持不變。

3 豎縫位置對(duì)池室水力特性的分析

3.1 主流區(qū)水力特性分析

主流區(qū)位置和流速影響著魚類上溯效率，沿程最大流速位置分布曲線（各橫斷面最大流速位置的連線）與主流區(qū)中心線基本吻合，可通過(guò)最大流速位置分布曲線研究豎縫位置變化對(duì)主流區(qū)位置以及最大流速的影響。

圖4（a）和圖4（b）分別給出了主流區(qū)最大流速軌跡曲線和主流區(qū)最大流速沿程變化曲線。為便于分析最大流速軌跡線，給出了不同豎縫位置時(shí)的流速場(chǎng)見(jiàn)圖5。

圖4 主流區(qū)最大流速軌跡曲線和沿程變化曲線Fig.4 Maximum velocity trajectory curve and variation curve along the main flow area

圖5 不同豎縫位置流場(chǎng)圖Fig.5 Flow field diagram of different vertical joints

由圖4（a）可知：①不同豎縫位置時(shí)，當(dāng)x/L≤0.1時(shí)，主流區(qū)最大流速軌跡線與X軸平行，主要因?yàn)楦舭逍褪较嗤?，離豎縫較近處射流效果相同。隨著豎縫位置的不斷變化，上下游相鄰游隔板以及導(dǎo)板相互影響，流速軌跡向池室順?biāo)鞣较蜃髠?cè)偏轉(zhuǎn)。②不同豎縫位置時(shí)，主流區(qū)最大流速軌跡線在x/L=0.75 處出現(xiàn)交點(diǎn)［圖4（a）青色位置］，交點(diǎn)左側(cè)主流區(qū)最大流速軌跡線與X軸傾斜度逐漸減小。③當(dāng)0.2＜l/B≤0.4（0.6＜l≤1.2）時(shí)，主流區(qū)最大流速軌跡線在交點(diǎn)左側(cè)呈直線型，直線型時(shí)流線較短，主要是兩豎縫間連線方向與射流方向一致，過(guò)上一豎縫水體通過(guò)豎縫射流作用后順暢進(jìn)入下一豎縫。當(dāng)l/B＜0.2（l≤0.6）以及0.4＜l/B≤0.5（1.2＜l≤1.5）時(shí)，主流區(qū)最大流速軌跡線在交點(diǎn)左側(cè)呈現(xiàn)曲線型。當(dāng)l/B＜0.2（l≤0.6）時(shí)，曲線型時(shí)流線較長(zhǎng)，主要是因?yàn)橄噜徹Q縫連線與X軸夾角大于豎縫射流的角度，導(dǎo)致水流軌跡線偏向順?biāo)鞣较蛴覀?cè)池室邊壁；當(dāng)0.4＜l/B≤0.5（1.2＜l≤1.5）時(shí)，曲線型時(shí)流線較長(zhǎng)，l/B越大，相鄰豎縫連線與X軸夾角越小于豎縫射流的角度，導(dǎo)致水流軌跡線偏向順?biāo)鞣较蜃髠?cè)池室邊壁。④當(dāng)0.23＜l/B≤0.40（0.7＜l≤1.2）時(shí)，主流區(qū)最大流速位置與池室邊壁間有一定距離，未發(fā)生貼壁現(xiàn)象；當(dāng)l/B≤0.20，在豎縫位置附近主流區(qū)水流發(fā)生了貼壁現(xiàn)象，l/B越大，貼壁的范圍越??；當(dāng)0.43≤l/B≤0.5時(shí)，在池室中位置出現(xiàn)了貼壁現(xiàn)象，l/B越大，貼壁的范圍越大。

由圖4（b）可知：①不同豎縫位置時(shí)，池室最大流速出現(xiàn)在豎縫偏下游x/L=0.05～0.1（x=0.185～0.37）處；豎縫位置對(duì)主流區(qū)最大流速沿程變化影響非常小，主流區(qū)沿程最大流速有先增大再減小后又增大的趨勢(shì)，主要是通過(guò)前一豎縫時(shí)，斷面束窄，流速增加，過(guò)豎縫后，主流區(qū)水體與池室水體混合，充分消能，導(dǎo)致流速下降，在過(guò)下一豎縫時(shí)，主流區(qū)流速又開(kāi)始增加。②不同豎縫位置時(shí)，主流區(qū)最大流速在x/L=0.70（x=2.8）時(shí)有交點(diǎn)；由于豎縫位置越靠近池室中央，相鄰兩豎縫位置距離越短，流速降低到最小需要一段距離，因而主流區(qū)最大流速沿程最小值出現(xiàn)的位置越遠(yuǎn)離上一豎縫處［圖4（b）紅線：各豎縫位置下，主流區(qū)最大流速沿程最小值的連線］。③當(dāng)l/B≤0.23 時(shí)，在x/L=0.83（x=3.071）時(shí)，出現(xiàn)了一次峰值，主要是因?yàn)槭艿娇v向?qū)О宓淖钃酰颂幹髁髁骶€密集導(dǎo)致流速增大。④當(dāng)0.20≤l/B＜0.47，主流區(qū)最大流速沿程最大值與最小值之間連線呈現(xiàn)直線型；當(dāng)l/B＜0.2（l＜0.6）及0.47≤l/B≤0.5（1.4＜l≤1.5）時(shí)呈現(xiàn)較彎的曲線。

3.2 最大流速沿程衰減率及紊動(dòng)能分布規(guī)律

不同豎縫位置時(shí)，主流區(qū)最大流速沿程衰減均很明顯；表1給出了不同豎縫位置時(shí)的衰減率［=（1-Umin/Umax）］，其中Umin為各池室最大流速沿程軌跡線上波谷值，Umax為池室最大流速沿程軌跡線上波峰值［23］，可以發(fā)現(xiàn)，l/B越大，即豎縫位置越靠近池室中央時(shí)，衰減率越大，當(dāng)l/B≥0.37后，衰減率趨于飽和。

表1 不同豎縫位置衰減率Tab.1 Attenuation rate of different vertical joints

魚類的游泳運(yùn)動(dòng)能力不僅和自身特性有關(guān)，也和豎縫式魚道內(nèi)的水力特性有關(guān)，其中紊動(dòng)能就是影響魚類游泳能力的重要水力因子，對(duì)魚類上行十分重要。圖6 為池室內(nèi)最大紊動(dòng)能隨著豎縫位置的變化情況，圖7 為紊動(dòng)能分布及流速分布規(guī)律。

圖6 不同豎縫位置紊動(dòng)能分布Fig.6 Distribution of turbulent energy at different vertical joints

圖7 不同豎縫位置紊動(dòng)能及流速分布Fig.7 Distribution of turbulent kinetic energy and velocity at different vertical joints

從圖6 中可以看出，不同豎縫位置時(shí)池室紊動(dòng)能最大值變化較小，變化范圍在0.074～0.116 m2/s2之間；當(dāng)l/B=0.13時(shí)，池室紊動(dòng)能最大值最小，為0.074 m2/s2，l/B=0.20 池室紊動(dòng)能最大值最大，為0.116 m2/s2。當(dāng)0.13≤l/B≤0.27 與0.47＜l/B≤0.50 時(shí)，池室紊動(dòng)能最大值隨著豎縫位置逐漸向池室中央靠攏而逐漸增大，當(dāng)0.27＜l/B≤0.47 時(shí)，池室紊動(dòng)能最大值隨著豎縫位置逐漸向池室中央靠攏而逐漸減小。

從圖7中可以看出，流速較大值出現(xiàn)在豎縫處偏下游，紊動(dòng)能較大值出現(xiàn)在豎縫位置、豎縫處偏下游一定位置內(nèi)以及順?biāo)鞣较蚩拷厥易髠?cè)邊壁處，豎縫附近流速最大位置與紊動(dòng)能最大位置相近，但重合度非常小，紊動(dòng)能較大位置除順?biāo)鞣较蚩拷厥疫叡谔?，均與主流區(qū)基本重合；順?biāo)鞣较蚩拷厥易髠?cè)邊壁會(huì)出現(xiàn)紊動(dòng)能較大區(qū)域，豎縫位置越靠近池室中央，紊動(dòng)能較大區(qū)域越靠近上游。結(jié)合圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)0.13≤l/B≤0.27 與0.47＜l/B≤0.50 時(shí)，大于0.070 m2/s2區(qū)域的紊動(dòng)能相應(yīng)增加，流速大于1 m/s 區(qū)域范圍也在增加；當(dāng)0.27＜l/B≤0.47 時(shí)，大于0.070 m2/s2區(qū)域的紊動(dòng)能逐漸減小，流速大于1 m/s 區(qū)域范圍也在逐漸減小。

從衰減率及紊動(dòng)能來(lái)看，當(dāng)l/B≥0.37 后，衰減率趨于飽和，當(dāng)l/B=0.47時(shí)，紊動(dòng)能最小，但池室出現(xiàn)了貼壁流現(xiàn)象，由3.1研究可知，當(dāng)0.23＜l/B≤0.40 時(shí)，池室未發(fā)生貼壁現(xiàn)象，且當(dāng)0.27＜l/B≤0.47 時(shí)，池室紊動(dòng)能最大值隨著豎縫位置逐漸向池室中央靠攏而逐漸減小，因而l/B=0.40時(shí)，最有利于魚類的洄游。

3.3 回流區(qū)水力特性分析

在異側(cè)豎縫式魚道中，池室一般會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)回流區(qū)，當(dāng)兩個(gè)回流區(qū)面積適中、大部分位置流速不超過(guò)魚類的感應(yīng)流速時(shí)，有利于魚類在上溯的過(guò)程中休息。隨著豎縫位置逐漸向池室中央靠攏，順?biāo)鞣较騼蓚?cè)回流區(qū)的范圍和回流區(qū)內(nèi)流速的分布在不斷發(fā)生變化。對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理分析，不同豎縫位置流速云圖見(jiàn)圖8，兩側(cè)回流區(qū)流速（回流區(qū)最外圍的流速）見(jiàn)圖9（a），兩側(cè)回流區(qū)范圍見(jiàn)表2。

表2 回流區(qū)面積分布Tab.2 Area distribution of reflux area

圖8 不同豎縫位置的流速云圖Fig.8 Velocity nephogram of different vertical joints

圖9 不同豎縫位置回流區(qū)流速和豎縫斷面流速分布Fig.9 Velocity distribution of reflux area and vertical joint section at different vertical joint positions

由圖8可知，隨著豎縫位置向池室中央靠近，由于主流區(qū)出現(xiàn)了貼壁現(xiàn)象，靠近上游隔板回流區(qū)長(zhǎng)度lc上（圖8 中均分別標(biāo)出）與池室長(zhǎng)度L比值先增大后減?。豢拷掠胃舭逄幓亓鲄^(qū)長(zhǎng)度lc下（圖8中均分別標(biāo)出）未發(fā)生變化。當(dāng)0.2≤l/B＜0.27時(shí)，lc上/L逐漸增大；當(dāng)0.27≤l/B≤0.40 時(shí)，lc上與L相等，當(dāng)0.40＜l/B≤0.50時(shí)，lc上/L逐漸減小。

由表2 可知，當(dāng)l/B＜0.2（l＜0.6）時(shí)，上游隔板處回流區(qū)面積大于下游隔板處回流區(qū)面積；當(dāng)l/B=0.2（l=0.6）時(shí)，兩側(cè)回流區(qū)面積幾乎相等；當(dāng)l/B＞0.2（l＞0.6）上游隔板處回流區(qū)面積小于下游隔板處回流區(qū)面積；當(dāng)0.2≤l/B≤0.40 時(shí)，兩側(cè)回流區(qū)面積大小比在0.49～0.62 之間，面積適中，魚類在左右兩側(cè)回流區(qū)均可以得到較好的休息。

由圖9（a）可以看出，當(dāng)l/B＜0.20 時(shí)，左側(cè)回流區(qū)流速較大；當(dāng)0.2≤l/B≤0.34 時(shí)，兩個(gè)回流區(qū)流速大小相當(dāng)；當(dāng)l/B＞0.34 時(shí)左側(cè)回流區(qū)流速較小。

3.4 豎縫斷面流速分布

豎縫處斷面縮小導(dǎo)致流速增大，因而豎縫處流速大小是魚類能否上溯成功的關(guān)鍵因素。繪制不同豎縫位置的斷面流速分布，見(jiàn)圖9（b）。本次設(shè)計(jì)的豎縫寬度b=0.5 m，以左側(cè)豎縫為研究對(duì)象［圖9（c）黑線部分］，其中v'為距離豎縫斷面起點(diǎn)［圖9（c）黑線左上角的紅點(diǎn)］為b'的流速，vb為豎縫斷面的平均流速。

由圖9（b）可知，不同豎縫位置時(shí)，b'/b在0.4～0.6 之間，豎縫處流速并未發(fā)生明顯變化；豎縫左側(cè)靠近隔板處的流速小于豎縫右側(cè)靠近導(dǎo)板處的流速，主要原因是左下角豎縫與右上角豎縫錯(cuò)開(kāi)距離較大，主流區(qū)最大流速沿程彎曲程度較大，豎縫射流偏向橫向?qū)О逄?，?dǎo)板處的流線過(guò)于集中，尤其是在l/B=0.13時(shí)，左下角豎縫與右上角豎縫錯(cuò)開(kāi)距離最大，橫向?qū)О逄幍牧骶€集中程度最大，使得豎縫斷面中心左側(cè)流速在距離豎縫中心相等的范圍內(nèi)均小于右側(cè)流速。

4 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)值模擬可知，豎縫位置對(duì)異側(cè)豎縫式魚道池室最大流速和池室主流區(qū)最大流速沿程變化影響較小，對(duì)主流區(qū)最大流速軌跡曲線影響較大；隨著豎縫中心逐漸向池室中央靠近，相鄰兩豎縫間流線先變短后變長(zhǎng)；不同豎縫位置時(shí)，主流區(qū)最大流速在x/L=0.70（x=2.8）時(shí)有交點(diǎn)；流速軌跡線在x/L=0.1時(shí)向池室左側(cè)偏轉(zhuǎn)，在x/L=0.75處出現(xiàn)交點(diǎn)。

豎縫位置對(duì)池室主流區(qū)水流流態(tài)以及回流區(qū)流速分布影響明顯，當(dāng)0.23＜l/B≤0.40 時(shí)，池室內(nèi)水流流態(tài)最佳；當(dāng)l/B≥0.37時(shí)，主流區(qū)沿程最大流速衰減率趨于飽和，當(dāng)0.37≤l/B≤0.40 時(shí)，池室內(nèi)紊動(dòng)能最大值在l/B=0.40 時(shí)最小，且左右兩側(cè)回流區(qū)面積大小適中，因而當(dāng)l/B=0.40，能顯著提高研究區(qū)域內(nèi)的半洄游性魚類的洄游效果。