汪紅波,王從鋒,劉德富,趙 萍,向經(jīng)文,童 迪

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北宜昌 443002;2.廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計研究院,廣西南寧 530023; 3.長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院,湖北武漢 430010)

興隆水利樞紐工程魚道水力學(xué)數(shù)值模擬

汪紅波1,2,王從鋒1,劉德富1,趙 萍1,向經(jīng)文1,童 迪3

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北宜昌 443002;2.廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計研究院,廣西南寧 530023; 3.長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院,湖北武漢 430010)

應(yīng)用RNG k-ε湍流模型和有限差分法對興隆水利樞紐工程魚道的設(shè)計模型和另外2種對比模擬模型進(jìn)行了數(shù)值模擬計算,分析了過魚池的流態(tài)、紊動能和紊動能耗散率等指標(biāo),并對比分析了不同孔口布置的淹沒孔口式橫隔板魚道的水力特性。結(jié)果表明:興隆水利樞紐魚道具有良好的消能效果,相鄰隔板孔口異側(cè)布置比同側(cè)布置消能效果好;可以通過改變淹沒孔口式魚道隔板的孔口位置、數(shù)目及尺寸進(jìn)行體型優(yōu)化。

魚道;橫隔板;流態(tài);消能;數(shù)值模擬;興隆水利樞紐工程

水利水電工程的建設(shè)改變了河流的連續(xù)性,使河流的連通性遭到破壞,生境片段化,阻隔了魚類的洄游通道,使洄游及半洄游性魚類的生存、繁衍受到嚴(yán)重威脅[1]。魚道是一種通過特殊結(jié)構(gòu)形式消能,能創(chuàng)造良好的水流條件的過魚通道,是一種保護(hù)魚類資源的重要工程設(shè)施[2]。

魚道按其隔板形式可以分為橫隔板式魚道、丹尼爾式魚道、涵洞式魚道和仿自然式魚道4種。橫隔板式魚道是一種國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的魚道,它又可以分為堰流式魚道、淹沒孔口式魚道、豎縫式魚道和組合式魚道4種。堰流式魚道在水槽內(nèi)間隔一定距離布置溢流堰式的擋墻,堰頂可以采取不同的形式,如傾斜式、三角堰等,通過堰流水墊消能,它是針對擁有較強(qiáng)游泳能力的魚類設(shè)計的,適用于水位變幅很小,有足夠布置場地的條件;淹沒孔口式魚道在橫隔板上開孔,通過孔口水流的對流擴(kuò)散消能,可以開表孔和底孔,適用于喜歡在中、底層洄游的中、大型魚類;豎縫式魚道水流通過隔板的豎縫下泄,類似射流,可利用池內(nèi)水流的對沖作用消能,一般適用于能適應(yīng)較復(fù)雜流態(tài)的大、中型魚類,且常用于施工期及天然障礙處過魚,其結(jié)構(gòu)簡單,能適應(yīng)較大變幅的水位,過魚效率較高,加拿大、美國等眾多國家較多采用了這種形式[3-4];組合式魚道是堰流式、淹沒孔口式和豎縫式3者組合的魚道,能夠較好地發(fā)揮這3類魚道的優(yōu)點(diǎn),具有較好的水流條件,過魚效果良好。

魚道內(nèi)水流條件的好壞是魚道設(shè)計成功與否的關(guān)鍵,加拿大阿爾伯特大學(xué)的Puertas等[5]對豎縫式魚道的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)魚道各級水池的長寬比為10∶8時可以獲得較穩(wěn)定的流態(tài)。Ead等[6]和Yagci[7]分別對堰流式和淹沒孔口式魚道的水力特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量和堰上水頭較小時,魚道內(nèi)水流為暴跌流,水流經(jīng)過堰頂?shù)虺氐?在水池中部垂直面上形成逆時針漩渦;當(dāng)流量和堰上水頭較大時,魚道內(nèi)水流為連續(xù)流,堰上水流大部分在表面流動,水池中部水流在垂直面上形成順時針漩渦。我國對魚道水力特性的研究起步較晚,徐體兵等[8-9]對豎縫式魚道的水力特性進(jìn)行了研究,認(rèn)為隔板導(dǎo)角對豎縫式魚道的流態(tài)有較明顯的影響,導(dǎo)角越大主流衰減越快,彎曲程度越大。本文在文獻(xiàn)[10]的基礎(chǔ)上,對興隆水利樞紐工程淹沒孔口式魚道的水力特性進(jìn)行初步研究,深入分析3種不同孔口布置的淹沒孔口式魚道的水力學(xué)特性。

1 物理模型

位于漢江中下游河段湖北省潛江、天門市境內(nèi)的興隆水利樞紐工程的開發(fā)任務(wù)主要是灌溉和航運(yùn),兼顧發(fā)電。興隆水利樞紐工程魚道是一種典型的淹沒孔口式魚道,寬2 m,隔板厚0.2 m、高2.5 m,開有3 孔,上部布置1個大孔,下部布置2個小孔,其局部三維設(shè)計模型如圖1(a)所示,由3孔a型隔板(圖2 (a))和3孔b型隔板(圖2(b))相鄰交錯布置而成。設(shè)計模型過魚池隔板間距為2.6 m,休息池隔板間距為5.2m。過魚池底坡為2％,休息池底坡為0,間隔10級過魚池布置1級休息池。魚道的設(shè)計流速為0.4～0.8 m/s,池室設(shè)計水深為0.6～2.5 m。根據(jù)已調(diào)查的漢江洄游性魚類、半洄游性魚類現(xiàn)狀,結(jié)合興隆水利樞紐工程特點(diǎn),主要過魚對象的過壩時段為每年的5—8月,主要過魚對象為洄游性魚類鰻鱺、長頜鱭的親體和成體,半洄游性魚類草魚、青魚、鰱、鳙、銅魚、鳤、鳡等的親體和成體。取A、B 2種模型(圖1(b)(c))作為設(shè)計模型數(shù)值模擬計算的參照模型,池室尺寸與設(shè)計模型一致,僅隔板形式不同。A模型由3孔a型隔板相鄰隔板孔口同側(cè)布置而成,B模型由2孔式隔板(圖2(c))相鄰隔板孔口異側(cè)布置而成。圖2為隔板尺寸詳圖,3孔式a型隔板和3孔式b型隔板底部小孔位置相同,大孔位置相反,大孔尺寸為100 cm×100 cm,小孔尺寸為30 cm×30 cm;2孔式隔板上下異側(cè)布置2個大孔,孔口尺寸均為80 cm×80 cm。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

本文研究的問題屬于不可壓縮流體的湍流流動,數(shù)值模擬選用RNGk-ε湍流模型,采用VOF模型追蹤自由液面,控制方程如下:

圖1 3種模型的局部三維示意圖

圖2 隔板尺寸(單位:cm)

a.RNGk-ε湍流模型方程:

式中:ρ為流體密度;k為湍流動能;ui為速度張量;ε為湍動能耗散率;μeff為擴(kuò)散系數(shù);Gk為湍動能k的產(chǎn)生項;C1ε、C2ε均為經(jīng)驗常數(shù);αk、αε為常數(shù)1.39;t為時間;xi、xj為坐標(biāo)張量。

式中:F為流體體積分?jǐn)?shù);Ax、Ay、Az分別為對應(yīng)x、y、z方向的微元面積;u、v、w分別為對應(yīng)x、y、z方向的流體速度;ξ為坐標(biāo)系數(shù),采用直角坐標(biāo)時,ξ=0,采用圓柱坐標(biāo)時,ξ=1;FDIF為體積分?jǐn)?shù)擴(kuò)散項;FSOR為體積分?jǐn)?shù)密度源項;R為系數(shù),采用直角坐標(biāo)時為常數(shù);UF為擴(kuò)散系數(shù);CP為常數(shù),是紊流施密特數(shù)的倒數(shù);μ是動能消散系數(shù)。

2.2 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

所有數(shù)學(xué)模型計算區(qū)域均選取魚道直段的一部分,全長88.4 m,含30級過魚池和2級休息池。用有限差分法對模型進(jìn)行離散求解,能大量減少網(wǎng)格數(shù)量,用VOF方法追蹤自由液面。采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,總網(wǎng)格單元數(shù)為3 821 502個,網(wǎng)格單元平均長、寬、高均為6 cm。對隔板處網(wǎng)格進(jìn)行加密后,網(wǎng)格單元x、y、z尺寸最大比例為y∶z=1,x∶y=x∶z=1.8,A模型和B模型均采用與興隆水利樞紐工程魚道相同的網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格數(shù)量。3種模型的局部網(wǎng)格如圖3所示。

2.3 邊界及初始條件

模型的進(jìn)口采用流量邊界,取1 m3/s,進(jìn)口水位為4.26 m(模型內(nèi)控制凈水深為2.40 m,以模型底部水平面為基準(zhǔn)面,高程為0 m,進(jìn)口底坡最高點(diǎn)高程為1.86 m),紊動能為2.69×10-4m2/s2,紊動能耗散率為7.33×10-6m2/s3;出口采用流速出口邊界,出口水位為2.7m;出口流速為0.208m/s,邊墻和底部設(shè)置為固壁邊界,粗糙度為0.8 mm。3種模型采用相同的邊界條件和初始條件。

3 計算結(jié)果分析

每種模型均取位于孔口高度中間位置的2個切片進(jìn)行分析對比,以順?biāo)鞣较驗閤軸正向,魚道寬度向左延伸方向為y軸正向,垂直向上為z軸正向,如圖1所示。面向水流左手側(cè)為左側(cè),右手側(cè)為右側(cè)。主要分析魚道內(nèi)的流態(tài)、紊動能和紊動能耗散率。

3.1 流態(tài)分析

選取設(shè)計模型的一個過魚池進(jìn)行流態(tài)分析, 圖4為設(shè)計模型過魚池的上、下層孔口切片的流速和流線分布(圖中流線箭頭只表示方向,不表示大小,u1為合速度)。此過魚池上游隔板為3孔a型隔板,下游隔板為3孔b型隔板。由圖4可知,在大孔層,水流由上游隔板大孔流入,由下游隔板大孔流出,主流呈“L”形分布,忽略孔口邊界處對魚類影響不大的流速,最大流速為1.2 m/s,產(chǎn)生在池室主流中間段,并在此過魚池的左側(cè)形成回流區(qū),回流區(qū)最大流速為0.75m/s,產(chǎn)生在左側(cè)邊墻處。大孔層流速大于0.8m/s的區(qū)域面積占整個池室面積的23.0％。在小孔層,上游隔板左側(cè)小孔水流向左偏轉(zhuǎn)形成回流漩渦,回流區(qū)最大流速為0.6m/s,右側(cè)小孔水流受上方大孔水流影響產(chǎn)生分流現(xiàn)象,向左偏轉(zhuǎn)并分為2股,分別流向下游隔板的2小孔,小孔的流速云圖呈帶狀分布,最大流速產(chǎn)生在孔口處。上游隔板左、右2小孔的最大流速分別為1.35 m/s、1.20 m/s;下游隔板2小孔的最大流速均為1.35 m/s。小孔層流大于0.8 m/s的區(qū)域面積占整個池室面積的11.5％。

圖3 3種模型局部網(wǎng)格

圖4 設(shè)計模型流速和流線

圖5 A模型流速和流線

圖5為A模型上、下層孔口切片的流速和流線分布。由圖5可知,大孔層可以分成2個流速區(qū),大孔側(cè)為直流區(qū),流速大于0.80 m/s的區(qū)域面積為整個池室面積的1/2,流速在0.75～1.20 m/s范圍內(nèi)。另一側(cè)為順時針漩渦區(qū),流速不大于0.30 m/s。小孔層分成4個流速區(qū),從左至右依次為漩渦區(qū)、直流區(qū)、漩渦區(qū)、直流區(qū)。漩渦區(qū)流速不大于0.15 m/s,左側(cè)的小孔水流受大孔水流影響存在分流現(xiàn)象,分成2股分別流向下游隔板2小孔,最大流速產(chǎn)生在孔口處,上游隔板2小孔的最大流速均為0.90 m/s,下游隔板2小孔的最大流速均為0.75 m/s。小孔層流速大于0.80m/s的區(qū)域面積占整個池室面積的11.5％。

圖6為B模型上、下層孔口切片的流速和流線分布。由圖6可知,上孔層主流呈“L”形分布,忽略孔口邊界處對魚類影響不大的流速,最大流速為1.20 m/s,產(chǎn)生在池室右側(cè)中間主流處,并在左側(cè)形成回流區(qū),回流區(qū)最大流速為0.30 m/s。上孔層流速大于0.80 m/s的區(qū)域面積占整個池室面積的31.0％。下孔層主流亦呈“L”形分布,與上孔層類似,忽略孔口邊界處對魚類影響不大的流速,最大流速為1.05m/s,回流區(qū)最大流速為0.30 m/s。下孔層流速大于0.80 m/s的區(qū)域面積占整個池室面積的15.4％。

圖6 B模型流速和流線

由以上分析可知,設(shè)計模型和A模型相比,就大流速區(qū)(流速大于0.80 m/s)的面積而言,相鄰隔板孔口異側(cè)布置(設(shè)計模型)比同側(cè)布置(A模型) 小,A模型的大流速區(qū)面積為整個池室的1/2,不利于魚類的上溯;從最大流速方面看,大孔層流速相差不大,小孔層設(shè)計模型的最大流速大于A模型的最大流速。B模型上孔層大流速區(qū)面積較比A模型小,比設(shè)計模型稍大;下孔層大流速區(qū)面積與設(shè)計模型相差不大,但設(shè)計模型下孔層上游隔板左、右2小孔的最大流速分別為1.35 m/s、1.20 m/s,下游隔板2小孔的最大流速均為1.35 m/s,不利于魚類上溯。因此,B模型流態(tài)較好。

3.2 消能效果對比

各種水域中廣泛存在不同程度的紊流流態(tài)(如各種漩渦、小尺度紊動、回流等),紊流剪切應(yīng)力會對魚類造成各種各樣的傷害,如擊壞眼睛,扭傷身體,使魚類迷失方向,導(dǎo)致平衡能力下降,不易躲避其他肉食動物的捕食等[10],因此,紊動能及紊動能耗散率是魚道水力特性研究的重要指標(biāo)。紊動能是反映水流因紊動而引起的能量損失的重要指標(biāo),紊動能耗散率是紊動能轉(zhuǎn)化成分子熱運(yùn)動動能的速率,紊動能不變,紊動能耗散率越大,消能效果越好。由表1可知,興隆水利樞紐工程魚道設(shè)計模型與A模型相比,上層孔口同側(cè)布置(A模型)紊動能為0.0940～0.1150m2/s2,是異側(cè)布置(設(shè)計模型)的9倍多,但紊動能耗散率比異側(cè)布置小;下孔層2種指標(biāo)相差不大,說明相鄰隔板孔口異側(cè)布置比同側(cè)布置消能效果好。A模型與B模型相比,上孔層紊動能大小相近,但紊動能耗散率相差較大,B模型的紊動能耗散率約是A模型的2倍,B模型下層孔口水流受上層孔口水流影響,紊動能比上層孔口大,紊動能耗散率也大。

表1 3種模型紊動能及紊動能耗散率最大值

4 結(jié) 論

a.興隆水利樞紐工程魚道結(jié)構(gòu)設(shè)計較優(yōu),選擇了較好的孔口尺寸和孔口位置,使紊動能較小,紊動能耗散率比A模型大,消能效果良好。

b.A模型流態(tài)較順直,但大孔層流速大于0.8 m/s的區(qū)域面積約占整個過魚池面積的1/2,不利于魚類上溯。小孔層大流速區(qū)面積也比興隆水利樞紐工程魚道小孔層的大。

c.從流速方面看,B模型下孔層優(yōu)于設(shè)計模型;從消能效果上看,B模型上孔層優(yōu)于設(shè)計模型。

d.相鄰隔板孔口異側(cè)布置比同側(cè)布置消能效果好,大流速區(qū)(＞0.80 m/s)面積小,可以減小魚類上溯的流速障礙;上、下層孔口水流相互影響,下層布置大孔比布置小孔流態(tài)好;堰流比淹沒出流流態(tài)穩(wěn)定。

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Numerical simulation of hydraulic characteristics of fishway in Xinglong Hydro-Junction Project

//WANG Hongbo1,2,WANG Congfeng1,LIU Defu1,ZHAO Ping1,XIANG Jingwen1,TONG Di3(1.College of Hydraulic and Environmental Engineering,China Three Gorges University,Yichang443002,China;2.Guangxi Electric Power Industry Investigation Design and Research Institute,Nanning530023,China;3.Changjiang Institute of Survey,Planning,Design and Research,Changjiang Water Resources Commission,Wuhan430010,China)

The design model and other two reference models of the fishway in Xinglong Hydro-Junction Project were numerically simulated by the RNGk-εturbulence model and the finite difference method.The flow pattern and parameters, such as turbulent kinetic energy and energy dissipation rate,were analyzed.The hydraulic characteristics of the submerged orifice transverse diaphragm plate fishway with different orifice layouts were compared and analyzed.The results show that energy dissipation effect of the fishway in Xinglong Hydro-Junction Project is good.The energy dissipation effect with the opposite arrangement of adjacent baffles'orifice is better than that with the ipsilateral arrangement.The submerged orifice transverse diaphragm plate fishway can be optimized by changing the position,amount and size of the orifices.It has a strong plasticity and good application prospect.

fishway;baffle;flow pattern;energy dissipation;numerical simulation;Xinglong Hydro-Junction Project

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.011

S956.3;TV131.4

A

1006 7647(2013)05 0047 05

20121120 編輯:熊水斌)

水利部公益性行業(yè)科研專項(201201030)

汪紅波(1987—),女,湖北紅安人,碩士研究生,主要從事魚道及其他過魚設(shè)施研究。E-mail:wang2010bobo@126.com

王從鋒(1974—),男,山東曹縣人,教授,博士,主要從事魚道與生態(tài)混凝土材料研究。E-mail:wangcf@ctgu.edu.cn