豎縫式魚道三維流場的數(shù)值模擬

豎縫式魚道三維流場的數(shù)值模擬

垂直儀表是一種結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作效率高的魚道配置類型。它最早出現(xiàn)在加拿大的heil-get水庫。之后，通過修改隔帶的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，改變輸入鉤子的位置和數(shù)量，我們可以為特定目標(biāo)魚類留下各種垂直縫狀魚道，并在世界范圍內(nèi)廣泛傳播。但是該類魚道的實(shí)際使用效果卻參差不齊,原因是魚道的過魚效果主要決定于三個(gè)因素:水道、魚和魚道本身;不同的水流條件和目標(biāo)魚類決定了不同的魚道體型設(shè)計(jì),具有“唯一性”,同時(shí)過魚效果的合理評價(jià)體系還有待完善。目前國內(nèi)外的豎縫式魚道研究主要是結(jié)合特定的上溯魚類,對特定的豎縫式魚道的水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行揭示,提出過魚效率評價(jià)方法。本研究采用主流的研究思路,構(gòu)造四種豎縫式魚道,通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法獲取魚道內(nèi)水深、流速的空間分布、觀察隔板型式的改變?nèi)绾斡绊戶~道內(nèi)水流的流動(dòng)結(jié)構(gòu),理解與魚類上溯密切相關(guān)的水力參數(shù)的對應(yīng)變化特征,研究成果豐富了豎縫式魚道的研究內(nèi)容,為魚道設(shè)計(jì)提供了參考。1數(shù)值模型參數(shù)的設(shè)置本研究采用通用流體力學(xué)軟件Fluent對構(gòu)造的四種魚道流場進(jìn)行數(shù)值模擬,自由水面采用VOF(VolumeofFluid)方法捕捉,RNGk-ε紊流模型封閉時(shí)均流方程,采用該模型推薦參數(shù),標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模擬固體邊界阻力影響,Gambit剖分幾何模型,總單元數(shù)68922,局部加密流速變化較大的豎縫處區(qū)域的網(wǎng)格。在正式計(jì)算之前,首先驗(yàn)證本研究的數(shù)值模型參數(shù)的設(shè)置,采用PuertasJ等人的試驗(yàn)成果進(jìn)行驗(yàn)證,對比了兩者的水面線、豎縫處的垂線流速分布和特定斷面的流速分布,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致,數(shù)值模型設(shè)置合理。典型驗(yàn)證結(jié)果如圖1所示。2種魚道結(jié)構(gòu)及流量圖2為四種豎縫式魚道平面布置圖,圖3為單個(gè)池室平面布置圖,分別定義為型式a、b、c、d。由于受限于計(jì)算能力,四種豎縫式魚道的尺寸大小與PuertasJ等人的模型裝置大小相當(dāng),計(jì)算結(jié)果通過弗勞德相似準(zhǔn)則推廣到工程原型中。四種魚道全長都是12m,寬0.99m,分為入流段(長1.8m)、工作段(由7個(gè)池室組成,編號(hào)1~7,單個(gè)池室長1.213m、寬0.99m、高1m)及出流段(長1.469m),均由垂向隔板分隔而成。豎縫寬0.18m,魚道底板坡度為5%,隔板為簡單平板,不設(shè)隔板墩頭。隔板厚度0.03m;對于每種型式魚道,均采用了3個(gè)流量進(jìn)行模擬分析,流量大小分別是60.5L/s、80.7L/s和100.8L/s,總計(jì)12種工況。調(diào)節(jié)計(jì)算模型下游水位形成“魚道均勻流”(此時(shí)各工況工作段池室水面與魚道底面平行,此時(shí)水深定義為“魚道均勻流水深”h0),任一水深用h表示,水深方向與軸方向一致,向上為正,原點(diǎn)設(shè)在魚道底面,xy平面即為魚道底面。3結(jié)論分析3.1直流區(qū)和回流區(qū)的大小圖4和圖5分別給出了典型工況(流量Q=80.7L/s,z=0.5h0)下不同型式豎縫式魚道池室水平剖面內(nèi)的流線分布圖和流速等值線圖(以3#池為例,型式c增加4#池)。流線圖直觀反映池室內(nèi)直流區(qū)和回流區(qū)的大小,以便確定該設(shè)計(jì)型式是否可以為特定的上溯魚類提供足夠的上溯空間和休息區(qū)域。圖4中所示回流區(qū)域面積大小:型式a>型式c>型式b>型式d。魚道池室內(nèi)的最大流速出現(xiàn)在豎縫處區(qū)域,并且豎縫是魚類上溯的必經(jīng)通道,這里的流速大小及分布在魚道設(shè)計(jì)中不可缺少。一般認(rèn)為目標(biāo)魚類的爆發(fā)流速需要大于池室內(nèi)最大流速,魚類才有可能在魚道中上溯。流速等值線圖便于確定不同型式魚道豎縫附近的最大流速vsm的位置,各型式魚道池室內(nèi)的vsm位于豎縫處下游約1.5~2.0cm處,型式a為1.37m/s,型式b為1.11m/s,型式c為1.11m/s,型式d為0.98m/s。3.2垂線流速分布文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)小底坡豎縫式魚道的流動(dòng)具有二維流動(dòng)的特征,水流速度沿水深方向變化不大。對于本文研究的四種魚道型式,筆者對魚道內(nèi)多處的垂線流速分布進(jìn)行了繪制(Q=80.7L/s),如圖6所示,流速分布垂線變化較小,近似認(rèn)為豎縫處流速沿水深不變,并且對于給定的豎縫式魚道型式和確定的底坡、豎縫處流速大小與流量無關(guān),只與魚道型式有關(guān)。該結(jié)論與文獻(xiàn)的研究規(guī)律一致。3.3池室流態(tài)分布對于每種型式的魚道,將不同流量下水平剖面(0.5h0)上的主流曲線(沿程最大流速點(diǎn)的位置集合)點(diǎn)繪在圖7中。型式a主流曲線分布微顯“S”形狀,水流從豎縫進(jìn)入,沿短板一側(cè),順?biāo)圻叡谙滦?水流順直,有利于喜急流的魚類較快上溯,魚可以不停歇地一次急躥數(shù)塊隔板。型式b主流曲線流態(tài)平面分布呈直線狀,主流從上級(jí)隔板豎縫通過收縮斷面沖入下級(jí)隔板與槽壁的角隅,異側(cè)布置的水流消能雖較同側(cè)消能充分,但主流尾部流速可能低于魚類感應(yīng)流速,魚類會(huì)在洄游中迷失方向;池室水流過于彎折,不利于魚類完成不停歇的連續(xù)上溯,洄游效率較低。型式c主流由前池和后池兩個(gè)池室主流構(gòu)成,主流曲線呈直線狀,兩豎縫間橫向相對距離較短,水流不會(huì)過于彎折,起到一定的導(dǎo)魚作用;魚類在洄游過程中更容易尋找到主流流線,消能效果適中,同時(shí)魚類休息相對空間較大。型式d主流曲線分布呈拋物線狀,主流從上級(jí)池室豎縫處進(jìn)入后,分別沿較短隔板一側(cè)順?biāo)圻叡谙滦?左右兩主流在池中交匯但不對沖,在靠近上下兩隔板附近分別存在一個(gè)低流速區(qū)。相比型式a,型式d充分地利用池室空間消能,增加了魚類上溯通道,提高了洄游效率,但是池室內(nèi)魚類休息區(qū)域狹小,需隔幾個(gè)池室修建單獨(dú)的休息室,適合游泳能力強(qiáng)的魚類上溯。4池室內(nèi)流場變化通過改變豎縫的位置和數(shù)量,構(gòu)造四種不同型式的豎縫式魚道,得到不同工況下四種魚道模型的三維流場。研究表明:(1)池室內(nèi)出現(xiàn)明顯的直流區(qū)和回流區(qū),回流區(qū)域面積大