不同位置與朝向的魚(yú)道進(jìn)口水流特性研究

石迅雷

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 概 述

魚(yú)道進(jìn)口是否易被魚(yú)類(lèi)發(fā)現(xiàn)和利于魚(yú)類(lèi)集結(jié)，是魚(yú)道設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素之一[1]。而魚(yú)道進(jìn)口的位置與朝向決定魚(yú)道進(jìn)口附近水流的特性，影響著整個(gè)魚(yú)道工程的過(guò)魚(yú)效果[2]。為此，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)魚(yú)道進(jìn)口的不同布置形式進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬計(jì)算。如謝春航等提出魚(yú)道進(jìn)口布置于集誘魚(yú)通道時(shí)的集誘魚(yú)水流具有更適宜魚(yú)類(lèi)洄游的水力學(xué)特性，能更有效地吸引并引導(dǎo)魚(yú)類(lèi)洄游上溯，找到魚(yú)道進(jìn)口[3]。黎賢訪等基于RNGk-ε紊流模型對(duì)進(jìn)魚(yú)口型式進(jìn)行了數(shù)值仿真和對(duì)比分析，提出進(jìn)魚(yú)口軸線與河岸成30°夾角并采用3支渠道輻射狀分散布置型式，可產(chǎn)生較優(yōu)的水流條件，適宜供多種魚(yú)類(lèi)上溯[4]。Abad等利用Flow-3D流體力學(xué)計(jì)算軟件，對(duì)加拿大北支河魚(yú)道進(jìn)口布置方式和孔口式魚(yú)道的水力學(xué)特性進(jìn)行研究，認(rèn)為該布置方式在不同上游流量時(shí)，下游水流條件均滿(mǎn)足魚(yú)道運(yùn)行需求[5]。但在國(guó)內(nèi)已建成的魚(yú)道工程中，魚(yú)道進(jìn)口該以何種方式布置卻沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。魚(yú)道進(jìn)口的不同朝向、不同布置方式如何影響進(jìn)口附近的水流特性？在魚(yú)道設(shè)計(jì)的過(guò)程中，魚(yú)道進(jìn)口以怎樣的開(kāi)口朝向及布置方式更有利于魚(yú)類(lèi)完成上溯？這仍然是國(guó)內(nèi)外學(xué)者們最為關(guān)心的問(wèn)題之一，也值得我們進(jìn)一步探究。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外已建成魚(yú)道的工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)學(xué)者的研究成果，通過(guò)改變魚(yú)道進(jìn)口與電站尾水閘門(mén)的距離、魚(yú)道進(jìn)口開(kāi)口朝向與河道主流的角度，提出3種魚(yú)道進(jìn)口的布置方式，采用Flow-3D計(jì)算流體軟件，對(duì)這3種魚(yú)道進(jìn)口布置形式的水流特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性。對(duì)比分析不同魚(yú)道進(jìn)口布置方式下魚(yú)道進(jìn)口附近水流的流速、紊動(dòng)能，提出更適合魚(yú)類(lèi)上溯的魚(yú)道進(jìn)口布置位置以及開(kāi)口朝向。

2 魚(yú)道進(jìn)口數(shù)學(xué)模型

2.1 魚(yú)道進(jìn)口布置型式

圖1所示水工模型由位于岸邊的魚(yú)道一、位于河道中間的魚(yú)道二、上游的發(fā)電機(jī)組及溢洪道組成。

注：1.溢洪道； 2.發(fā)電機(jī)組； 3.魚(yú)道一； 4.魚(yú)道二； A，B，C，D，E，F(xiàn)為魚(yú)道進(jìn)口圖1 水工模型布置圖Fig.1 Hydraulic model layout

魚(yú)道一的長(zhǎng)度設(shè)置為2 m，魚(yú)道二的長(zhǎng)度設(shè)置為6 m。其中，魚(yú)道進(jìn)口A位于魚(yú)道一的中間，魚(yú)道進(jìn)口B、C位于魚(yú)道一的末端，魚(yú)道進(jìn)口D位于魚(yú)道二的中間，魚(yú)道進(jìn)口E、F位于魚(yú)道二的末端；魚(yú)道進(jìn)口A、B、D、E開(kāi)口朝向與河道主流方向垂直，魚(yú)道進(jìn)口C、F開(kāi)口朝向與河道主流方向平行。發(fā)電機(jī)組尾水閘門(mén)寬度設(shè)置為0.4 m，調(diào)節(jié)魚(yú)道進(jìn)口閥門(mén)，使其寬度為0.2 m。為了控制計(jì)算規(guī)模，同時(shí)又能保證模擬的區(qū)域包括受魚(yú)道進(jìn)口水流顯著影響的河道區(qū)域，本次模擬的區(qū)域范圍為10 m×10 m(長(zhǎng)×寬)。在模擬過(guò)程中，為了研究水電站發(fā)電工作時(shí)的下泄流量對(duì)魚(yú)道附近水流誘魚(yú)效果的影響，溢洪道設(shè)計(jì)為不泄水狀態(tài)，河道流量來(lái)源于水電站機(jī)組全部開(kāi)啟時(shí)的下泄流量。根據(jù)研究要求及內(nèi)容，選取3種具有代表性的魚(yú)道進(jìn)口布置型式，見(jiàn)表1。其中，工況一開(kāi)啟與電站距離較近、開(kāi)口朝向與河道主流垂直的魚(yú)道進(jìn)口A，D；工況二開(kāi)啟與電站距離較遠(yuǎn)、開(kāi)口朝向與河道主流垂直的魚(yú)道進(jìn)口B，E；工況三開(kāi)啟與電站距離較遠(yuǎn)、開(kāi)口朝向與河道主流平行的魚(yú)道進(jìn)口C，F(xiàn)。

表1 魚(yú)道進(jìn)口布置方式工況表Tab.1 Workflow table of fishway entrance layout

2.2 湍流模型與控制方程

本文采用流體計(jì)算軟件Flow-3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，控制方程為連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，紊流數(shù)值計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε紊流模型，利用VOF方法追蹤流體自由表面運(yùn)動(dòng),分析魚(yú)道進(jìn)口附近區(qū)域的流速、紊動(dòng)能等水力要素。

2.3 邊界條件以及網(wǎng)格劃分

經(jīng)邊界進(jìn)入模型區(qū)域的水流分別為電站尾水閘門(mén)的下泄水流和魚(yú)道的下泄水流，進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口，以分布于長(zhǎng)江中下游流域的馬口魚(yú)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，為了讓馬口魚(yú)感應(yīng)水流并完成上溯，本次模擬中電站尾水閘門(mén)的下泄水流和魚(yú)道的下泄水流均設(shè)置為V=0.25 m/s，出口邊界設(shè)置為壓力出口，邊壁和底板設(shè)置墻體均不可過(guò)流，水氣交界面的邊界條件設(shè)定為壓力邊界條件，壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.01×105Pa，初始水深均為0.2 m。

計(jì)算網(wǎng)格采用Flow-3D生成的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，魚(yú)道進(jìn)口1 m范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格總數(shù)約為1 071 260。最小網(wǎng)格單元體積約為3.2×10-7m3，初始時(shí)間步長(zhǎng)本文取為0.01，最小時(shí)間步長(zhǎng)為1×10-8。

2.4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，本文對(duì)工況三的魚(yú)道進(jìn)口布置形式進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，根據(jù)上述方法建立的數(shù)學(xué)模型，選取距離電站尾水閘門(mén)1 m處兩魚(yú)道之間的斷面模擬流速值和實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。測(cè)量之前關(guān)閉所有魚(yú)道進(jìn)口，測(cè)量平面與底面平行，兩魚(yú)道之間的水域每隔0.3 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。由圖2可知，兩者水流流速大小相對(duì)誤差范圍為2%～9%，誤差值在允許的范圍之內(nèi)，因此數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果具有合理性。

圖2 數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)斷面流速大小對(duì)比Fig.2 Comparison of flow velocity between numerical simulation and model test section

3 魚(yú)道進(jìn)口模型數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 流速場(chǎng)

魚(yú)道進(jìn)口在河道流場(chǎng)下所形成的流速場(chǎng)是決定水流特性的主要因素，是魚(yú)類(lèi)能否順利找到魚(yú)道進(jìn)口的重要影響因素，圖3給出了3種工況所形成的流速場(chǎng)。

圖3 流速分布圖Fig.3 Flow velocity distribution

由圖3可知，在由電站發(fā)電產(chǎn)生的尾水作為河道運(yùn)行的背景流量下，3種魚(yú)道進(jìn)口布置方式在魚(yú)道進(jìn)口豎縫處產(chǎn)生的流速大小基本保持一致，為0.5 m/s左右。工況一中，兩個(gè)魚(yú)道進(jìn)口A，D的水流以射流的形式在進(jìn)口處與電站尾水90°交匯，使原本流速衰減的電站尾水在魚(yú)道進(jìn)口下游處形成流速為0.2～0.5 m/s的流速場(chǎng)，并延伸至河道下游，此為馬口魚(yú)偏好的吸引流速，流速場(chǎng)的橫向?qū)挾葹?.2～2.0 m，由于岸邊邊壁及魚(yú)道二邊壁的作用，使得魚(yú)道進(jìn)口A，D射流而出的水流與岸邊之間形成了流速為0～0.1 m/s的低流速區(qū)；工況二與工況一類(lèi)似，原本流速衰減的電站尾水在魚(yú)道進(jìn)口下游處形成流速為0.2～0.5 m/s的流速場(chǎng)，流速場(chǎng)的橫向?qū)挾葹?.5～2.4 m，由于岸邊邊壁的作用，魚(yú)道進(jìn)口B射流而出的水流與岸邊形成了流速為0～0.1 m/s的低流速區(qū)；工況三中，由于魚(yú)道進(jìn)口C，F(xiàn)產(chǎn)生的水流與電站尾水在各進(jìn)口下游1m范圍內(nèi)接近于0°匯合，水流擴(kuò)散并不明顯，流速衰減較為緩慢，高流速區(qū)域處于魚(yú)道進(jìn)口C，F(xiàn)下游處，高流速區(qū)域橫向?qū)挾容^窄，寬度范圍為0.2～0.4 m，河道中存在著大片面積的較低流速區(qū)域。

對(duì)比工況一、工況二，改變魚(yú)道進(jìn)口與電站尾水閘門(mén)的距離影響著河道形成的馬口魚(yú)偏好流速區(qū)域的范圍，相比于工況一，距離電站尾水閘門(mén)較遠(yuǎn)的魚(yú)道進(jìn)口布置方式能夠形成范圍更大的誘魚(yú)水流，更有利于馬口魚(yú)完成上溯。

對(duì)比工況二、工況三，兩種魚(yú)道進(jìn)口的布置方式其進(jìn)口豎縫處均能達(dá)到0.5 m/s的最大流速，但與河道垂直的魚(yú)道進(jìn)口布置方式能夠產(chǎn)生大范圍的馬口魚(yú)流速偏好區(qū)域，更易于魚(yú)類(lèi)識(shí)別，從而更加順利地找到魚(yú)道進(jìn)口。

3.2 紊動(dòng)能

紊動(dòng)能是描述流場(chǎng)的一個(gè)重要水力參數(shù)，也是在魚(yú)類(lèi)上溯過(guò)程中體能耗散的主要原因。國(guó)外有研究表明，紊動(dòng)能過(guò)大會(huì)使魚(yú)類(lèi)在上溯的過(guò)程中消耗大量的能量[6]，以至于無(wú)法完成上溯。圖4給出了3種工況下的紊動(dòng)能的分布。

由圖4可知，工況一中，在魚(yú)道進(jìn)口A至岸邊的區(qū)域內(nèi)，形成了大范圍的高紊動(dòng)區(qū)域，并延伸至河道下游，區(qū)域橫向?qū)挾戎饾u減小，區(qū)域面積為7.25 m2左右，最大紊動(dòng)能可達(dá)0.13 m2/s2，由于魚(yú)道進(jìn)口D位于魚(yú)道二的二分之一處，魚(yú)道二阻斷了魚(yú)道進(jìn)口水流與溢洪道下游處的水流區(qū)域相交匯，在魚(yú)道進(jìn)口至河道下游的區(qū)域內(nèi)形成了大范圍的紊動(dòng)區(qū)域，并在河道下游末端水流逐漸擴(kuò)散均勻，紊動(dòng)相對(duì)緩慢，區(qū)域面積為7.11 m2/s2左右，最大紊動(dòng)能位于該區(qū)域的中心處，可達(dá)到0.01 m2/s2；工況二中，由于岸邊邊壁的不可過(guò)流，在魚(yú)道進(jìn)口B至岸邊的區(qū)域內(nèi)，形成了大范圍的高紊動(dòng)區(qū)域，并延伸至河道下游，區(qū)域橫向?qū)挾戎饾u減小，區(qū)域面積為5.3 m2左右，最大紊動(dòng)能可達(dá)0.11 m2/s2，由魚(yú)道進(jìn)口B，E射流而出的水流逐漸擴(kuò)散均勻，在河道中形成了紊動(dòng)能較低的水流區(qū)域，紊動(dòng)能為0.001 5～0.002 5 m2/s2；工況三中，由魚(yú)道進(jìn)口C，F(xiàn)流出的水流與河道水流零度交匯，紊動(dòng)并不劇烈，低紊動(dòng)區(qū)域集中在魚(yú)道進(jìn)口至河道下游的狹長(zhǎng)范圍內(nèi)，區(qū)域面積為3.3 m2左右，魚(yú)道進(jìn)口C至岸邊存在著很小范圍的高紊動(dòng)區(qū)域，區(qū)域面積為0.3 m2左右，最大紊動(dòng)能可達(dá)0.014 m2/s2。

對(duì)比工況一、工況二，開(kāi)啟距電站閘門(mén)較近的魚(yú)道進(jìn)口A，D在河道下游產(chǎn)生了更大范圍的高紊動(dòng)區(qū)域，馬口魚(yú)在上溯的過(guò)程中容易迷失自己，以至于無(wú)法順利尋找到魚(yú)道進(jìn)口完成上溯。

對(duì)比工況二、工況三，相比開(kāi)啟與河道平行的魚(yú)道進(jìn)口C，F(xiàn)，開(kāi)啟與河道垂直的魚(yú)道進(jìn)口B，E能夠產(chǎn)生更大范圍的紊動(dòng)區(qū)域，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大范圍的低紊動(dòng)區(qū)域。有研究表明，適宜的紊動(dòng)能有助于魚(yú)類(lèi)完成上溯，魚(yú)類(lèi)喜好聚集在紊動(dòng)能范圍內(nèi)頂流前進(jìn)以減少自身能量消耗[7]，因此工況二更有利于目標(biāo)魚(yú)類(lèi)完成上溯。

圖4 紊動(dòng)能分布圖Fig.4 Distribution of turbulent kinetic energy

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)不同位置及朝向的魚(yú)道進(jìn)口各個(gè)工況的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，以電站尾水流量作為河道運(yùn)行的背景流量，從流速和紊動(dòng)能兩方面分析了各個(gè)工況下流場(chǎng)的水力特性。綜合分析，得出以下結(jié)論：

1) 相對(duì)于開(kāi)口朝向與河道主流平行的進(jìn)口C、F，開(kāi)啟開(kāi)口朝向與河道主流垂直的魚(yú)道進(jìn)口能夠形成更大范圍的目標(biāo)魚(yú)類(lèi)偏好流速區(qū)域以及適合魚(yú)類(lèi)上溯的低紊動(dòng)區(qū)域。

2) 由于岸邊邊壁的不可過(guò)流及魚(yú)道二阻斷了電站下游與溢洪道下游的部分水流交匯，開(kāi)啟距電站閘門(mén)較近的魚(yú)道進(jìn)口A，D在其下游處產(chǎn)生了范圍較大的、不利于目標(biāo)魚(yú)類(lèi)上溯的高紊動(dòng)區(qū)域，距離電站尾水閘門(mén)較遠(yuǎn)的魚(yú)道進(jìn)口B，E能夠形成范圍更大的誘魚(yú)水流,同時(shí)在其下游處產(chǎn)生的不利于目標(biāo)魚(yú)類(lèi)上溯的高紊動(dòng)區(qū)域也相對(duì)較小。

3) 布置于岸邊的魚(yú)道由于岸邊的不可過(guò)流，在魚(yú)道進(jìn)口至岸邊的區(qū)域內(nèi)易形成高紊動(dòng)區(qū)以及低流速區(qū)，不易目標(biāo)魚(yú)類(lèi)尋找到魚(yú)道進(jìn)口完成上溯，因此布置于河道中的魚(yú)道更能提高魚(yú)道的過(guò)魚(yú)效率。