李 程 鐘泳成（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院 長沙市 410007）

樞紐魚道建筑物數(shù)值模擬試驗研究

李 程 鐘泳成
（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院 長沙市 410007）

魚道能夠幫助恢復(fù)魚類和其它水生生物物種在河流中自由洄游，能夠減緩大壩阻隔的影響。魚道的設(shè)計可以使用數(shù)學(xué)模擬的方法進(jìn)行研究，基于仿真軟件ANSYS強(qiáng)大的計算功能和前后處理能力，基于ANSYS軟件FLUENT模塊綜合三維紊流數(shù)學(xué)模型，對長沙魚道推薦方案魚道池室進(jìn)行計算，魚道最大流量為1.21 m3/s，滿足魚類洄游條件；進(jìn)魚口流速大于0.2 m/s，達(dá)到魚類的感應(yīng)流速，集魚渠內(nèi)流向明確，穩(wěn)定，無倒流，滿足設(shè)計要求。

魚道 數(shù)值模擬 E型隔板 流態(tài) 研究

1 研究背景

我國是水資源大國，河流眾多，為了防洪、發(fā)電、供水和通航等需要在江、河中進(jìn)行的筑壩，修建的堰、壩會改變上、下游水文條件，使河流生態(tài)環(huán)境連續(xù)性中斷，阻斷魚類自由遷徙，對需要進(jìn)行大范圍遷移的洄游性或半洄游性魚類會產(chǎn)生毀滅性的災(zāi)難，對魚類自然種群產(chǎn)生深遠(yuǎn)的負(fù)面效應(yīng)，國內(nèi)外保護(hù)措施主要有：人工增殖放流、水庫生態(tài)調(diào)度、建立魚類保護(hù)區(qū)以及修建過魚設(shè)施，國內(nèi)以修建過魚設(shè)施和開展人工增殖放流最為常見，其中魚道是最常見的過魚設(shè)施。

魚道對于減緩大壩的阻隔影響，幫助恢復(fù)魚類和其它水生生物物種在河流中自由洄游具有重要的意義。魚道工程措施的有效運(yùn)行是保持河流縱向連通性的重要技術(shù)手段之一。以長沙綜合樞紐魚道工程設(shè)計為例，通過對水生態(tài)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查、比選魚道型式、計算水力學(xué)參數(shù)，使用數(shù)值模擬試驗驗證，主要研究內(nèi)容有：（1）魚道進(jìn)水口水流流態(tài)和流速的分布優(yōu)化；（2）魚道內(nèi)部流量、流速、水深和流態(tài)的有效控制。在充分認(rèn)識、了解魚道研究和建設(shè)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬的方法優(yōu)化魚道的設(shè)計，改進(jìn)保護(hù)方法與措施，提高魚道設(shè)計水平，大幅加強(qiáng)過魚有效性，以期發(fā)揮魚道的最大效益。對于保護(hù)河流生態(tài)、促進(jìn)水利可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 流體力學(xué)的計算原理

考慮水流為不可壓縮流體，采用 雙方程紊流模型，控制方程為：

連續(xù)方程：

式中 t——時間；

ui——速度分量;

xi——坐標(biāo)分量；

v——運(yùn)動粘性系數(shù)；

P——修正壓力；

τij——應(yīng)力張量，定義

pgi——重力體積力；

μt=pvt=pcuk2/ε——紊動動力粘性系數(shù)；

εij——Kronecker delta符號；

經(jīng)驗常數(shù) cu=0.09，σk=1.0，σε=1.33，C1ε=1.44，C2ε=1.42；

Gk——平均速度梯度引起的紊動能產(chǎn)生項，

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，0＜F＜1；函數(shù)F是空間和時間的函數(shù)，即F=F（x，y，z，t），固結(jié)在流體質(zhì)點上并隨流體一起運(yùn)動的沒有質(zhì)量和粘性的染色點的運(yùn)動，輸運(yùn)方程為：

將上式寫成如下的通用形式：

式中 t——時間；

uj——速度矢量；

φ——通用變量，如速度、紊動能等；

Гφ——變量φ的擴(kuò)散系數(shù)；

Sφ——方程的源項。

計算時，首先在任意控制體積CV（其邊界為A）作體積分，利用高斯定理將體積分化成面積分。記F（φ）=pφu-Γφgradφ，可得到有限體積法（FVM）的基本方程，寫成：

式中 F（φ）□n——法向數(shù)值通量。

對控制體積單元取平均后，可離散得到FVM基本方程的最終形式為：

式中 △V——單元體積；

M——單元面總數(shù)；

Aj——單元面j的面積；

上游進(jìn)口和下游出口計算邊界分別采用自由面水位作為其邊界條件；壁面采用 Launder& Spalding的壁面函數(shù)條件，進(jìn)出口的紊動能K和耗散率ε由下列經(jīng)驗公式得出：

式中 L——紊流特征長度[3]。

3 工程應(yīng)用與分析

3.1 工程概況

魚道的設(shè)計不僅可以使用物理模型進(jìn)行試驗研究，同時也可以使用數(shù)學(xué)模擬的方法進(jìn)行研究，對水力學(xué)局部模型E型隔板1∶69底坡試驗方案進(jìn)行驗證，分析集魚、補(bǔ)水系統(tǒng)是否會產(chǎn)生回流，是否滿足設(shè)計要求。針對魚道力學(xué)計算需求，基于計算機(jī)的仿真軟件ANSYS強(qiáng)大的計算功能和前后處理能力，基于ANSYS軟件FLUENT模塊綜合采用三維紊流數(shù)學(xué)模型，對長沙魚道推薦方案（E型隔板＋1∶69底坡）的魚道池室三維水流條件進(jìn)行計算。

3.2 模型構(gòu)建

數(shù)學(xué)模型計算區(qū)域包括5塊隔板，魚道槽身計算長度總長27.0 m，由于隔板型式較為復(fù)雜，計算區(qū)域采用四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖1、圖2）。

圖1 魚道三維水流計算區(qū)域圖

圖2 魚道計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

3.3 計算分析

下游水位26.84 m，魚道流量為1.13 m3/s，補(bǔ)水流量3.59 m3/s工況下（魚道總流量4.72 m3/s），數(shù)值模擬結(jié)果見圖3～圖5。

圖3 集魚渠上層進(jìn)魚孔斷面流速云圖（z=25.45 m）

圖4 集魚渠上層進(jìn)魚孔斷面流速矢量圖（z=25.45 m）

圖5 上層1#～4#進(jìn)魚孔流速云圖（z=25.45 m）

集魚渠上層進(jìn)魚孔斷面（z=25.45 m高程位置）流場分布見圖7～圖8。由圖可見，集魚渠內(nèi)無倒流現(xiàn)象，集魚渠內(nèi)流速（0.1～0.25）m/s，集魚渠進(jìn)魚口流速為（0.2～0.4）m/s。

圖6 集魚渠下層進(jìn)魚孔斷面流速云圖（z=22.5 m）

圖7 集魚渠下層進(jìn)魚孔斷面流速矢量圖（z=22.5 m）

集魚渠下層進(jìn)魚孔斷面流場分布見圖6～圖8（z= 22.5m高程位置）。由圖可見，集魚渠內(nèi)無倒流現(xiàn)象，集魚渠內(nèi)流速（0.1～0.25）m/s，集魚渠進(jìn)魚口流速為（0.2～0.48）m/s。相比于上層進(jìn)魚孔，由于補(bǔ)水渠補(bǔ)水孔主要分布于底層，下層進(jìn)魚孔流速大于上層進(jìn)魚孔。

數(shù)值模擬結(jié)果表明進(jìn)魚口流速大于0.2 m/s，達(dá)到魚類的感應(yīng)流速，集魚渠內(nèi)流向明確、穩(wěn)定，無倒流。數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)一步驗證推薦集魚系統(tǒng)方案可行。

圖8 下層5#～8#進(jìn)魚孔流速云圖（z=25.45 m）

4 結(jié) 論

魚道作為樞紐的重要組成部分，承擔(dān)著溝通魚類洄游通道、保障流域水生態(tài)環(huán)境的重任，魚道規(guī)模較大、水力指標(biāo)要求較高，通過使用ANSYS軟件FLUENT模塊綜合采用三維紊流數(shù)學(xué)模型，對長沙魚道推薦方案（E型隔板+1∶69底坡）的魚道池室三維水流條件進(jìn)行計算，得出了如下結(jié)論。

（1）對水力學(xué)局部模型E型隔板1∶69底坡試驗方案進(jìn)行了驗證，魚道池室內(nèi)最大流速約為（0.92～1.03）m/s，數(shù)模計算的魚道最大流量為1.21 m3/s，滿足魚類洄游條件。

（2）對集魚、補(bǔ)水系統(tǒng)的流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值分析，數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型結(jié)果吻合較好，進(jìn)魚口流速大于0.2 m/s，達(dá)到魚類的感應(yīng)流速，集魚渠內(nèi)流向明確、穩(wěn)定，無倒流，滿足設(shè)計要求。

[1]SL 609-2013.水利水電工程魚道設(shè)計導(dǎo)則[S].中華人民共和國水利部，2013.

[2]陳大慶，吳強(qiáng)，徐淑英，等.大壩與過魚設(shè)施[A].水電水利建設(shè)項目水環(huán)境與水生生態(tài)保護(hù)技術(shù)政策研討會[C].2005.

[3]沙海飛，陳惠玲.壩身泄水孔窄縫消能工三維水動力特性數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報，2006，37（5）:625-629.

[4]彭鑫.湘江長沙綜合樞紐隔板型式魚道三維水流數(shù)值分析[J].湖南水利水電，2015，（2）:25-28.

2016-06-03）

李程（1983-），男，湖南新化人，碩士研究生，工程師，目前從事水土保持工作，手機(jī)：18607316086。