一種消能通道與過魚通道獨(dú)立的新式Tesla 閥魚道及其水力特性研究

王元玖，薛智博，張春澤，，米家杉，馬 倩

（1. 重慶交通大學(xué) 西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；3. 交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100010； 4. 重慶西科水運(yùn)工程咨詢有限公司，重慶 400074）

0 引 言

在水資源開發(fā)過程中，人們在江河上修建了大量攔河建筑物，阻斷了天然河流連通性。為保障河流生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，又設(shè)置各類過魚設(shè)施，用以減緩攔河工程對魚類溯洄的不利影響。要保障魚類順利上溯，過魚設(shè)施至少應(yīng)滿足以下3點(diǎn)要求：首先，由于魚類游泳能力的限制，過魚設(shè)施中主通道允許最大流速不應(yīng)超過魚自身的極限游泳速度；另外，通道內(nèi)應(yīng)存在一個供魚類休息調(diào)整的休憩區(qū)，該區(qū)流速不宜超過魚類的感應(yīng)流速；最后，通道內(nèi)流態(tài)應(yīng)盡量豐富多樣，以滿足不同魚類的游泳偏好［1］?？傮w來看，無論傳統(tǒng)工程魚道，還是各類新型仿自然（仿生態(tài)）魚道，都是滿足上述要求的基礎(chǔ)上再兼具各自特點(diǎn)。

對于傳統(tǒng)魚道的代表，豎縫式魚道中主流大體居中，其流速從中心線到兩側(cè)遞減，縱向衰減明顯，回流區(qū)分布在主流兩側(cè)，流速值較小，可作為休息區(qū)，空間占比大［3］。相比較于傳統(tǒng)工程魚道，仿生態(tài)魚道能夠形成魚類更為熟悉的接近天然河道的水流條件［4］。交錯蠻石墻式仿自然魚道［5］采用天然砂、礫石對底破進(jìn)行加糙，采用天然蠻石建造擋墻，該結(jié)構(gòu)單級池室中主流有先減小再增大的趨勢，最大流速出現(xiàn)在長蠻石墻附近，休息區(qū)存在于主流兩側(cè)，該區(qū)域紊動能較弱。將仿生態(tài)魚道與孔縫相組合，在此結(jié)構(gòu)中流態(tài)表現(xiàn)良好，整體紊動能不大，底孔和豎縫處最大流速基本保持一致，基本滿足過魚需求，底孔的存在為中底層魚類增加了上溯路徑，可有效提高過魚效率［6］。李廣寧等［7］采用挺水植物構(gòu)建了一種新型仿自然魚道，植物模塊交錯布置，水流流態(tài)豐富，過魚通道流速能夠得到有效控制，植物布置區(qū)下游可作為休息區(qū)。郄志紅等［8］提出了一種利用太極圓盤和爻條削減水流能量的太極式新型魚道，在此基礎(chǔ)上接著又提出了旋流式魚道［9］，利用導(dǎo)流坎引導(dǎo)水流與弧形壁面在池室內(nèi)形成旋流，水流相互碰撞摩擦消能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低過魚通道流速的目的。

Tesla閥［10］是一種被動式流體控制裝置，由重復(fù)的彎道和直道構(gòu)成［見圖1（a）］，流體從閥門不同端口流入，流動將會呈現(xiàn)完全不同的規(guī)律，此現(xiàn)象即被稱為Tesla閥的單向流通性。當(dāng)流體反向流入時，被劃分為兩股，兩股流體在導(dǎo)流柱末端相互摩擦碰撞進(jìn)行消能，致使流體流速大大削弱；當(dāng)流體正向流入時，流動暢通無阻，流速被提升。Tesla閥由于其特殊的結(jié)構(gòu)和控制流動特性，在微流體控制、微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，然而在大尺度上，Tesla 閥的單向流通特性也可被應(yīng)用于魚道設(shè)計(jì)。2016 年，K Keizer［11］就大型Tesla 閥用作魚道的可行性進(jìn)行探討，分析了該結(jié)構(gòu)的池室流動規(guī)律和水動力特征，認(rèn)為大尺度Tesla 閥在適宜的流量-比降的組合工況下，可用作過魚設(shè)施。隨后，Blotnicki J等［12］將大型Tesla閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，將原有Tesla閥的傾斜邊壁改為順直邊壁，研究結(jié)果表明新結(jié)構(gòu)存在著池室流速過高、消能效率低的問題。將Tesla 閥應(yīng)用于魚道中，不應(yīng)僅僅考慮消能效率，還需考慮魚類的上溯適宜條件，上溯過程中需找尋適宜的休息區(qū)域恢復(fù)體能，休息區(qū)域的流速不宜大于魚類的感應(yīng)流速（一般為0.2 m/s）。然而，在較大比降條件下，原Tesla 閥魚道形成的流場中順直道流速湍急，且難以提供充足且穩(wěn)定的休息區(qū)，故本文通過調(diào)整池室直/彎道寬度比，鏤空導(dǎo)流柱并增加開口端長度等措施對原結(jié)構(gòu)（如圖1所示）進(jìn)行了優(yōu)化。通過三維數(shù)值方法對二者進(jìn)行了模擬比較，分析了新方案（新式Tesla閥魚道）的水流特征和作為魚道的條件符合性。

圖1 Tesla閥魚道和新式Tesla閥魚道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural schematic diagram of Tesla valve fishway and new Tesla valve fishway

1 數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證

1.1 控制方程

采用Flow-3D 軟件對模型進(jìn)行計(jì)算，F(xiàn)low-3D 將連續(xù)性方程和不可壓縮黏性流體運(yùn)動的Navier-Stokes 方程作為控制方程，采用模擬在高應(yīng)變率的紊流運(yùn)動中較為準(zhǔn)確的RNGk-ε湍流模型，該模型主要控制方程有連續(xù)方程、動量方程、紊動能k方程，紊動耗散率ε方程。

連續(xù)方程：

動量方程：

紊動能k方程：

紊動耗散率ε方程：

式中：t為時間，s；ui為時均速度分量，m/s；xj為坐標(biāo)分量，m；ρ為密度，kg/m3；μ為分子黏性系數(shù)；p為壓強(qiáng)，Pa；μt為紊流黏性系數(shù)；αk和αε分別為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)；Gk為紊動能產(chǎn)生項(xiàng)，。

1.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

根據(jù)魚道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確定新式Tesla閥魚道的幾何設(shè)計(jì)參數(shù)，總長為26 m，寬為3.13 m，池室級數(shù)為6 級，結(jié)構(gòu)整體比降為1%、1.5%、2%、2.5%和3%。計(jì)算區(qū)域進(jìn)出口均設(shè)置為壓力邊界條件，相對壓力為0，水深為1.0 m，由于自由表面為水體與大氣的交界面，故計(jì)算區(qū)域的上部設(shè)定位壓力邊界條件，相對壓力為0，水相占比為0，壁面為無滑移壁面條件，暫不考慮糙率影響。

采用正六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，x、y、z方向的單元網(wǎng)格尺寸均取為0.06 m，總網(wǎng)格單元數(shù)約為145 萬，網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of grid generation

1.3 驗(yàn) 證

首先對原大尺度Tesla閥魚道進(jìn)行數(shù)值模擬，并與文獻(xiàn)［11］中物理模型實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行對比驗(yàn)證，確定網(wǎng)格劃分尺度和邊界設(shè)置的適用性。通過對比各級池室的特征點(diǎn)監(jiān)測水深（如圖3），可知計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)成果吻合良好，說明數(shù)值模型的可靠性能夠滿足研究需求。

圖3 計(jì)算值與測量值對比圖Fig.3 Comparison between calculated and measured values

2 結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)化效果比較分析

為了深入對比優(yōu)化方案與原Tesla閥魚道的相關(guān)水力特性，分別針對兩種結(jié)構(gòu)開展5種典型工況的模擬和分析。為避免邊界效應(yīng)的影響，僅在表1中展示第3、4級池室中的結(jié)果。

總體來看，新方案與原Tesla閥魚道最顯著的區(qū)別是休息區(qū)面積大幅提升。隨著魚道比降增加，兩種結(jié)構(gòu)內(nèi)休息區(qū)面積均單調(diào)減少。當(dāng)魚道比降超過2%時，原Tesla 閥魚道池室內(nèi)流速低于0.2 m/s 的區(qū)域已不足2%，無法保障上溯魚類休憩空間。相比之下，即使在2%～3%的比降范圍內(nèi)，優(yōu)化方案池室內(nèi)休息區(qū)面積占比仍保持40.8%～25.8%。

表1 原Tesla閥魚道A和新式Tesla閥魚道B水力特性對比表Tab.1 Comparison of hydraulic characteristics between the original Tesla valve fishway A and the new Tesla valve fishway B

另外，新方案在保持了原Tesla 閥魚道消能效率（由單位投影長度內(nèi)水頭損失表示）的同時，整個池室內(nèi)紊動能和流速均較原方案更小。由流速矢量圖（圖4）可知，在原Tesla 閥魚道中，潛在通路內(nèi)形成了顯著的高流速鎖（即順直道中流速大于魚類極限游泳速度），阻斷了魚類上溯通道。而觀察優(yōu)化方案可知，其彎道內(nèi)流速顯著增加，而順直道內(nèi)流速顯著減小，并且在鏤空導(dǎo)流柱內(nèi)形成了較大的休息區(qū)。這一成功的優(yōu)化，使得彎、直道功能獨(dú)立而互不干擾，分別起消能和過魚作用。在后續(xù)文中，將彎道稱為消能通道，將直道稱為過魚通道。如圖4（b）所示，兩級池室銜接段也是消能通道與過魚通道的交叉區(qū)域，如果此處流速過高，將會阻礙魚類上溯。

圖4 第3、4級池室流速矢量對比圖（比降2.0%）Fig.4 Comparison of flow velocity vectors in the 3rd and 4th stage tank chambers（Gradient of 2.0%）

2.2 優(yōu)化方案池室內(nèi)流速

以四大家魚（青魚、草魚、鰱魚、鳙魚）為主要目標(biāo)過魚對象，其感應(yīng)流速范圍0.07～0.20 m/s，臨界游泳速度0.50～1.12 m/s，極限游泳速度0.70～1.48 m/s［13］。在本文中，取過魚對象的感應(yīng)流速為0.2 m/s，極限游泳速度為1.3 m/s，即池室內(nèi)供魚類恢復(fù)體力的低流速區(qū)不宜大于0.2 m/s，通道內(nèi)最大流速不宜超過1.3 m/s，適宜上溯流速范圍則為0.2～1.3 m/s。

圖5 為各級池室消能通道高流速區(qū)平均流速隨比降變化圖，消能通道內(nèi)流速隨著比降的增大而增加，首級與第2級池室內(nèi)流速增漲率較大，而自3 級池室之后的流速增漲率趨緩。這一規(guī)律與原Tesla閥魚道［11］中各級回路流速變化規(guī)律相符。

圖5 各級池室消能通道高流速區(qū)平均流速變化圖Fig.5 Variation pattern of average velocity at the high velocity zone of the energy dissipation channel in the each stage tank chambers

圖6 給出了當(dāng)優(yōu)化方案底坡比降分為1.5%、2%和2.5%時第3、4 級池室流速云圖。由于遮蔽作用，鏤空導(dǎo)流柱內(nèi)水體流速一直保持在0.2 m/s 以下，幾乎不受魚道比降變化影響，可以穩(wěn)定地保障魚類休息區(qū)面積，供上溯疲勞的魚類短暫休息、恢復(fù)體能。在消能通道頂沖作用下，過魚通道內(nèi)流速整體較低，最大流速均發(fā)生在池室入口處與消能通道主流交叉段。消能通道內(nèi)流速最大值出現(xiàn)在通道入口處，強(qiáng)烈的剪切作用及壁面摩擦是通道內(nèi)主要的消能方式。

圖6 新式Tesla閥魚道第3、4級池室流速分布云圖Fig.6 Cloud chart of flow velocity distribution in the 3rd and 4th stage tank chambers of the new Tesla valve fishway

為了確定優(yōu)化方案的比降適用范圍，在圖7 展示了連續(xù)6級池室通道交叉區(qū)平均流速隨比降變化曲線。由圖7 可知，當(dāng)魚道比降增大到2.5%以上時，末級部分池室平均流速已超過目標(biāo)魚類的極限游泳速度，需要增加一段平坡休息室串聯(lián)上下級池室。

圖7 各級池室通道交叉區(qū)平均流速變化圖Fig.7 Variation pattern of average velocity at the intersection area between the energy dissipation channel and fish passageway in the each stage tank chambers

2.3 優(yōu)化方案池室內(nèi)紊動能

水流紊動能（Turbulent Kinetic Energy， TKE）是反映流體紊動的物理量，紊動能越大，水流湍動越劇烈，流體之間的相互碰撞產(chǎn)生的能量損失也越大［14］。魚道中水流保持適當(dāng)?shù)奈蓜訌?qiáng)度，一方面有利于魚類感應(yīng)主流位置，另一方面也有利于增加水體含氧量，維持水質(zhì)指標(biāo)。但水流的紊動程度與魚類的游泳能力呈負(fù)相關(guān)［15］，當(dāng)魚道內(nèi)水流的紊動能過大時，魚類則會因受力復(fù)雜及運(yùn)動阻力增大而難以保持自身的平衡，不僅影響魚類的運(yùn)動能力，還有可能會對魚體造成一定的損傷。

圖8 為3、4 級池室的紊動能分布云圖。隨著比降的增大，池室紊動能呈整體上升趨勢，根據(jù)文獻(xiàn)資料［16］，區(qū)分高低紊動能區(qū)的臨界值為0.05 J/kg。當(dāng)優(yōu)化方案底坡比降低于2%時，池室紊動能均小于0.05 J/kg，休憩區(qū)紊動能小于0.01 J/kg；比降為2.5%時，池室進(jìn)口處局部紊動能較大，最大約為0.13 J/kg，高紊動能區(qū)幾乎封住了5 級池室入口。綜合流速和紊動能變化規(guī)律，優(yōu)化方案的底坡控制在2.5%以下，具有更好的上溯條件和經(jīng)濟(jì)性。

圖8 紊動能分布云圖Fig.8 Cloud chart of turbulent kinetic energy distribution

3 結(jié) 論

本文通過對原Tesla閥魚道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到了一種消能通道與過魚通道相對獨(dú)立的新式Tesla 閥魚道。在針對上述兩種結(jié)構(gòu)開展CFD 數(shù)值實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了新式魚道的水力特性與適用范圍，得出以下結(jié)論。

（1）在原Tesla 閥魚道基礎(chǔ)上，通過調(diào)整池室直/彎道寬度比，鏤空導(dǎo)流柱并增加開口端長度等措施，得到一種消能通道與過魚通道相對獨(dú)立的新式魚道方案。

（2）與原Tesla閥魚道相比，新式Tesla閥魚道在保證消能效率不變的前提下，有效改善了過魚通道內(nèi)流速、流態(tài)，顯著提升了休憩區(qū)占比，增加了魚類上溯成功的可能性。

（3）新式Tesla閥魚道過魚通道內(nèi)流速隨著比降的增大而增加，消能通道內(nèi)首級與2級池室內(nèi)最大流速增漲率較大，而相應(yīng)3 級池室以下的最大流速增漲率趨緩。當(dāng)魚道底坡小于2.5%時，連續(xù)6級池室交叉區(qū)平均流速均小于魚類上溯極限流速，經(jīng)濟(jì)性較高。

（4）當(dāng)?shù)灼卤冉档陀?.5%時，新式Tesla閥魚道過魚通道內(nèi)紊動能整體較低，對魚類上溯是積極有益的。