韓 雷，狄高健，劉發(fā)智，田振華

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

水利工程的建設(shè)阻隔了原本連通的河道，影響了河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性和連續(xù)性，同時(shí)也中斷了具有洄游習(xí)性的魚(yú)類(lèi)的上溯與繁殖。從保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)多樣性角度，減輕水利工程阻隔的影響，一般需要修建魚(yú)道、升魚(yú)機(jī)等過(guò)魚(yú)建筑物，為魚(yú)類(lèi)等洄游生物的上溯提供通道。因此，魚(yú)道的修建逐漸受到重視，而豎縫式魚(yú)道因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、主流明晰且過(guò)魚(yú)效果佳等特點(diǎn)，在實(shí)際工程中被廣泛使用[1]。由于水利樞紐大多上下游水位差較大，魚(yú)道較長(zhǎng)，受樞紐布置型式及場(chǎng)地條件限制，很難將魚(yú)道布置成直線型式，往往會(huì)隨地形地質(zhì)的變化被布置成各種角度，形成彎道段。而在魚(yú)道轉(zhuǎn)彎段內(nèi)，隨著水流方向發(fā)生變化，很容易出現(xiàn)主流不明確或主流貼壁等現(xiàn)象，并伴隨大尺度回流區(qū)的出現(xiàn)，若魚(yú)類(lèi)進(jìn)入此回流區(qū)域則無(wú)法感知水流方向，影響其上溯洄游，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致大量魚(yú)類(lèi)在轉(zhuǎn)彎段滯留，魚(yú)道的過(guò)魚(yú)效率便會(huì)降低[2]。因此，魚(yú)道轉(zhuǎn)彎段水流特性的研究至關(guān)重要。本文以某工程中涉及到的100°魚(yú)道轉(zhuǎn)彎段為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法，進(jìn)一步研究了豎縫寬度對(duì)100°轉(zhuǎn)彎段魚(yú)道水池內(nèi)水流結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程概況

某水庫(kù)是一座以灌溉、防洪為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的大(2)型水利樞紐。樞紐建成后，將會(huì)阻隔保護(hù)魚(yú)類(lèi)洄游通道，因此修建豎縫式魚(yú)道作為過(guò)魚(yú)通道，保護(hù)洄游魚(yú)類(lèi)如細(xì)鱗魚(yú)、哲羅魚(yú)、雷氏七鰓鰻、江鱈等珍貴冷水性魚(yú)，以及鰱、鳙、鯉等溫水性魚(yú)。此水庫(kù)魚(yú)道采用同側(cè)橫隔板豎縫式魚(yú)道型式，全長(zhǎng)2000余米。魚(yú)道各標(biāo)準(zhǔn)池室底板縱坡比采用1∶78。魚(yú)道標(biāo)準(zhǔn)池室長(zhǎng)度4.0 m，凈寬3.0 m[3]。池室結(jié)構(gòu)尺寸如圖1。

圖1 某工程魚(yú)道池室結(jié)構(gòu)尺寸圖(單位：cm)

2 數(shù)學(xué)模型的建立

本研究采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，其主要控制方程為：

連續(xù)方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

K方程

(3)

ε方程

(4)

自由表面采用VOF(The Volume of Fluid)方法，在空間上定義函數(shù)F，全含水為1，不含水為0，當(dāng)為自由表面時(shí)，0

(5)

網(wǎng)格劃分：魚(yú)道池室內(nèi)采用四邊形網(wǎng)格與三角形網(wǎng)格相結(jié)合的方式劃分網(wǎng)格。

邊界條件：魚(yú)道上游邊界為流速進(jìn)口，下游邊界為自由出流，殘差的絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值為1 ×10-5，時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s。

3 不同豎縫寬度下魚(yú)道100°轉(zhuǎn)彎段的水流結(jié)構(gòu)分析

圖2 豎縫式魚(yú)道100°轉(zhuǎn)彎示意圖

由于豎縫寬度的不同，水流通過(guò)豎縫進(jìn)入彎道段池室時(shí)，水流在池室內(nèi)的橫向擴(kuò)散、混摻也不同，主流流態(tài)與兩側(cè)回流區(qū)的差異也較大，六種工況計(jì)算結(jié)果如下。

(1) 當(dāng)α1=0.4時(shí)，水流進(jìn)入池室后發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角度微小，主流成直順態(tài)，無(wú)典型的豎縫式水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)“S型”流向，主流右側(cè)無(wú)回流，而左側(cè)出現(xiàn)大尺度的不利回流，會(huì)造成魚(yú)類(lèi)迷失方向。流場(chǎng)圖見(jiàn)圖3。

(2) 當(dāng)α2=0.5時(shí)，水流進(jìn)入池室后發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角度較α1=0.4時(shí)略有增大，主流偏轉(zhuǎn)弧度增大，但整體仍較直順，“S型”流向不明顯，主流左側(cè)有大尺度不利回流，右側(cè)基本無(wú)回流。流場(chǎng)圖見(jiàn)圖4。

(3)當(dāng)α3=0.6時(shí)，水流進(jìn)入池室后發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角度適中，主流基本位于池室中央，主流明晰，水流流向明確，呈“S型”流向，在隔板下游主流兩側(cè)形成局部回流，左右兩側(cè)回流較對(duì)稱(chēng)，強(qiáng)度不大。未出現(xiàn)主流臨近兩側(cè)邊墻的不利流態(tài)。流場(chǎng)圖見(jiàn)圖5。

(4) 當(dāng)α4=0.7時(shí)，水流進(jìn)入池室后發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角度適中，主流位于池室中央，主流非常明晰順暢，水流流向明確，呈現(xiàn)“S型”流向，水流在水池內(nèi)擴(kuò)散較好，未出現(xiàn)主流臨近兩側(cè)邊墻的不利流態(tài)。主流兩側(cè)均出現(xiàn)明顯回流，但左右兩側(cè)回流對(duì)稱(chēng)且大小相當(dāng)。流場(chǎng)圖見(jiàn)圖6。

(5) 當(dāng)α5=0.8時(shí)，水流進(jìn)入池室后偏轉(zhuǎn)弧度略大，水流在水池內(nèi)擴(kuò)散較大，可以看出主流臨近右側(cè)邊墻出現(xiàn)一些不利流態(tài)。左側(cè)回流較大，右側(cè)基本無(wú)回流，主流左右兩側(cè)水流不對(duì)稱(chēng)。流場(chǎng)圖見(jiàn)圖7。

(6)當(dāng)α6=0.9時(shí)，主流明確但偏轉(zhuǎn)角度過(guò)大，水流擴(kuò)散較大，左側(cè)回流較大，右側(cè)基本無(wú)回流，主流左右兩側(cè)水流不對(duì)稱(chēng)。主流臨近右側(cè)邊墻出現(xiàn)不利流態(tài)。流場(chǎng)圖見(jiàn)圖8。

圖3 α1=0.4流場(chǎng)圖

圖4 α2=0.5流場(chǎng)圖

圖5 α3=0.6流場(chǎng)圖

圖6 α4=0.7流場(chǎng)圖

圖7 α5=0.8流場(chǎng)圖

圖8 α6=0.9流場(chǎng)圖

4 計(jì)算結(jié)果分析與討論

通過(guò)六個(gè)工況下100°轉(zhuǎn)彎處的水流結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬可知，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)大致可以分為以下三類(lèi)。

第一類(lèi)：0<α≤0.5時(shí)，主流直順，水流進(jìn)入池室后基本不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，主流左側(cè)有較小回流，右側(cè)無(wú)回流。

第二類(lèi)：0.5<α≤0.7時(shí)，水流進(jìn)入池室后發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角度適中，主流基本位于池室中央，主流明晰順暢，水流流向明確，呈現(xiàn)“S型”流向，水流在水池內(nèi)擴(kuò)散較好，未出現(xiàn)主流臨近兩側(cè)邊墻的不利流態(tài)。在隔板下游主流兩側(cè)形成局部回流，左右兩側(cè)回流對(duì)稱(chēng)，大小相當(dāng)且強(qiáng)度不大，為魚(yú)類(lèi)提供了有效的休息場(chǎng)所。

第三類(lèi)：0.7<α≤0.9時(shí)，主流明確但偏轉(zhuǎn)角度過(guò)大，左側(cè)回流較大，右側(cè)基本無(wú)回流，主流左右兩側(cè)水流不對(duì)稱(chēng)。

經(jīng)過(guò)對(duì)六個(gè)工況下100°轉(zhuǎn)彎處的水流結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬可見(jiàn)，豎縫寬度的變化會(huì)影響水流在池室內(nèi)的橫向擴(kuò)散、混摻，進(jìn)而影響主流區(qū)內(nèi)沿程的流速變化。當(dāng)0<α≤0.5時(shí)，豎縫寬度較小，水流的橫向擴(kuò)散、混摻程度較弱。當(dāng)0.7<α≤0.9時(shí)，主流明確但偏轉(zhuǎn)角度過(guò)大，左側(cè)回流較大，右側(cè)基本無(wú)回流，主流左右兩側(cè)水流不對(duì)稱(chēng)。而當(dāng)0.5<α≤0.7時(shí)，豎縫寬度逐漸增大，水流在池室內(nèi)的橫向擴(kuò)散增強(qiáng)，主流愈來(lái)愈趨向池室中央，左右兩側(cè)區(qū)域回流明顯且趨于對(duì)稱(chēng)，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)合理?？梢?jiàn)，對(duì)于固定長(zhǎng)寬比、導(dǎo)板長(zhǎng)度、導(dǎo)向角度、墩頭型式及隔板長(zhǎng)度等影響值下，100°轉(zhuǎn)彎處的水流結(jié)構(gòu)在此豎縫范圍內(nèi)相對(duì)較合理。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)數(shù)值模型計(jì)算，對(duì)某工程中六種工況下的豎縫式魚(yú)道100°轉(zhuǎn)彎段的水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，研究表明豎縫寬度對(duì)魚(yú)道彎道處池式內(nèi)水流流場(chǎng)有一定的影響。計(jì)算結(jié)果分為三類(lèi)闡述，在此工程魚(yú)道結(jié)構(gòu)下，分析出更適合魚(yú)類(lèi)上溯的池式豎縫寬度下的水流結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)0.5<α≤0.7時(shí)，水流進(jìn)入池室后發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角度適中，主流基本位于池室中央，主流明晰順暢，水流流向明確，呈現(xiàn)“S型”流向，水流在水池內(nèi)擴(kuò)散較好，未出現(xiàn)主流臨近兩側(cè)邊墻的不利流態(tài)。