摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)大大增強(qiáng)了解決各種復(fù)雜問題的能力，并被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。文章首先介紹數(shù)值模擬基本原理及目前主流的一些數(shù)值模擬軟件。其次，基于目前研究較熱的過魚保護(hù)領(lǐng)域（如過魚設(shè)施魚道的優(yōu)化設(shè)計(jì)、大壩泄流產(chǎn)生的氣體過飽預(yù)測(cè)模型等）中的數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)地介紹。最后，針對(duì)目前領(lǐng)域的研究進(jìn)展，指出在今后過魚保護(hù)研究領(lǐng)域中，數(shù)值模擬技術(shù)可望發(fā)展成為一種更快速、更經(jīng)濟(jì)、強(qiáng)有效的研究工具，以期實(shí)現(xiàn)過魚保護(hù)領(lǐng)域研究的突破。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；過魚保護(hù)；魚道；氣體過飽和；模型；應(yīng)用

前言

未來的水利工程是既能夠?qū)崿F(xiàn)人們期望的開發(fā)利用水的功能價(jià)值，又能兼顧建造一個(gè)健全的河流湖泊生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水的可持續(xù)利用。水利工程結(jié)合生態(tài)建設(shè)，是一個(gè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。生態(tài)水力學(xué)是水力學(xué)與生態(tài)學(xué)融合形成的一門新興學(xué)科。董哲仁提出的生態(tài)水工理論框架，為生態(tài)水力研究奠定了理論基礎(chǔ)。同時(shí)，明確指出了生態(tài)水力學(xué)科內(nèi)涵、研究進(jìn)展和學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)。生態(tài)水力學(xué)是把生物生活的特征和水力學(xué)條件在一定的尺度上建立相應(yīng)的關(guān)系，主要研究的是針對(duì)水力學(xué)條件變化做出的生態(tài)響應(yīng)，以此來預(yù)測(cè)其演變趨勢(shì)，并提出了相應(yīng)的對(duì)策來改善和加強(qiáng)棲息地的流場(chǎng)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，極大增強(qiáng)了解決各種復(fù)雜問題的能力，其中具有代表性的有Fluent、MIKE、CE-QUAL-W2等。數(shù)值模擬相對(duì)于模型試驗(yàn)具有費(fèi)用低廉、計(jì)算高效、結(jié)果準(zhǔn)確等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，其優(yōu)點(diǎn)愈發(fā)明顯。文章主要以數(shù)值模擬在過魚保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域的研究應(yīng)用出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹了數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展，以期為魚類洄游領(lǐng)域研究的方法提供參考。

1 數(shù)值模擬技術(shù)

近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到飛速的發(fā)展，推動(dòng)了數(shù)值模擬的發(fā)展，使數(shù)值模擬在生態(tài)水利研究中得到廣泛的應(yīng)用，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)也逐漸成為被研究的熱門內(nèi)容，隨著其日益成熟，逐漸形成了一個(gè)計(jì)算軟件CFD，其中具有代表性的有Fluent、MIKE、CE-QUAL-W2等。數(shù)值求解技術(shù)實(shí)際上是一種離散近似的計(jì)算方法，CE-QUAL-W2為立面二維水動(dòng)力與水質(zhì)模型。在生態(tài)水力學(xué)中數(shù)值模擬的模型有兩種，分別是生態(tài)水力學(xué)模型和水生物棲息地模型。我國(guó)的棲息地?cái)?shù)值模擬起步比較晚，目前主要是對(duì)中等棲息地和微觀棲息地進(jìn)行研究。對(duì)數(shù)值模擬的應(yīng)用也主要是借鑒國(guó)外現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)一些水生物棲息地的模擬，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。水動(dòng)力、水質(zhì)、生物和生態(tài)之間存在一個(gè)動(dòng)力學(xué)機(jī)制，生態(tài)水力學(xué)模型就是以這個(gè)機(jī)制為基礎(chǔ)，使數(shù)學(xué)模型盡可能的表現(xiàn)出生物和生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際的特征。把實(shí)際的模型在計(jì)算機(jī)上被模擬出來，隨著數(shù)值模擬的發(fā)展，生態(tài)水力學(xué)模型將會(huì)逐漸精細(xì)化、客觀化及多元化。

2 過魚保護(hù)相關(guān)研究

2.1 魚道

魚道是在河流中溝通魚類洄游通道的設(shè)施，結(jié)構(gòu)上以豎縫式魚道為主。近幾十年來，國(guó)內(nèi)外廣泛運(yùn)用CFD技術(shù)方法對(duì)魚道內(nèi)水流的水力特性進(jìn)行了研究，為魚道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)，從而獲得更好的過魚效果。在21世紀(jì)初國(guó)內(nèi)外很多研究者運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)魚道進(jìn)行了詳細(xì)的研究。其研究者主要有Barton A.F、L.Ceal及徐體兵等，他們的研究結(jié)果大大的推進(jìn)了魚道的發(fā)展。對(duì)于魚道的數(shù)值模擬可以選擇不同的模型，主要有RNG k-ε模型、混合長(zhǎng)度模型、k-ε模型、代數(shù)應(yīng)力模型、RSM模型等。通過數(shù)值模擬可以對(duì)魚道內(nèi)水流的水力特性，流場(chǎng)及水流形態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2.2 友好型水輪機(jī)

近年來越來越多的大壩在修建，我們不得不考慮大壩對(duì)魚類的影響，文章主要考慮水輪機(jī)對(duì)魚類的影響，很多研究者都在致力魚類友好型水輪機(jī)的研究，這種水輪機(jī)不僅可以給魚類提供一個(gè)良好的過流環(huán)境，而且還可以對(duì)水質(zhì)進(jìn)行改善。目前，數(shù)值模擬就是研究這種水輪機(jī)的主要方法之一。魚類友好型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)主要考慮的因素是在魚類通過水輪機(jī)的時(shí)候可能受到的傷害，通過數(shù)值模擬旨在找出一個(gè)合適的水輪機(jī)，把魚類通過水輪機(jī)時(shí)受到的傷害降至最小，主要的研究指標(biāo)是水輪機(jī)流道尺寸、內(nèi)部部件形狀及運(yùn)行參數(shù)。通過模擬計(jì)算來幫助理解特定魚個(gè)體傷害的機(jī)理、比較那些傷害成因之間的影響和減少前期試驗(yàn)和失敗次數(shù)，有助于緩和影響。我們描述的這個(gè)過程正被應(yīng)用于修改水輪機(jī)的尺寸以達(dá)到提高過魚生存率。美國(guó)能源部和水電行業(yè)已經(jīng)在對(duì)這種水輪機(jī)進(jìn)行研究。在這種水輪機(jī)的研究中，計(jì)算流體力學(xué)得到了廣泛的使用。通過數(shù)值模擬，得到了很多有價(jià)值的結(jié)論，為設(shè)計(jì)和制造出魚類友好型水輪機(jī)提供了重要的理論基礎(chǔ)。

CFD模型被用于評(píng)估安裝于華盛頓州加侖比亞河Wanapum大壩中卡普蘭水輪機(jī)（一種普通、可調(diào)節(jié)葉片、水輪機(jī)）內(nèi)部的剪切力。通往Wanapum水輪機(jī)的整個(gè)水流流道被劃分成為三個(gè)部分作為CFD分析：（1）進(jìn)水口區(qū)域（包含半螺旋蝸殼、固定導(dǎo)葉、座環(huán)間隙）；（2）轉(zhuǎn)子（輪轂和葉片）；（3）尾水管區(qū)域。通過將導(dǎo)葉和尾水管區(qū)域兩塊分開計(jì)算的水流結(jié)果來作為轉(zhuǎn)子邊界條件。類似地，轉(zhuǎn)子計(jì)算的結(jié)果作為提供尾水管的水流條件。每個(gè)區(qū)域的速度、壓力和湍流強(qiáng)度值通過3-D求解器、TASCflow、雷諾平均數(shù)N-S方程（RANS）和K-e湍流模型。蝸殼段的計(jì)算，包括固定導(dǎo)葉和座環(huán)間隙超過近1400000結(jié)點(diǎn)。一個(gè)簡(jiǎn)單地葉片就接近450000個(gè)結(jié)點(diǎn)，尾水管近900000個(gè)結(jié)點(diǎn)。在所有三維體上，RANS方程是時(shí)均的，剪切壓力平均。速度的隨機(jī)波動(dòng)利用k-epsilon湍流模型估測(cè)。后處理是用Ensight7.40軟件完成。每個(gè)區(qū)域的剪切應(yīng)力是使用Ensight軟件算的最大的剪切應(yīng)力。計(jì)算中可實(shí)現(xiàn)在計(jì)算域每個(gè)結(jié)點(diǎn)各方向上的最大剪切力。

2.3 氣體過飽和

近年來大壩下游總?cè)芙鈿怏w成為一門獨(dú)立的課題，被國(guó)內(nèi)外大量的學(xué)者所研究，研究的重點(diǎn)主要集中在怎么對(duì)其濃度分布進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)下游氣體溶解度含量及得到減輕魚類傷害的有效措施是至關(guān)重要的。隨著各種水利工程的修建，下游出現(xiàn)溶解度飽和的幾率增大。影響氣體飽和的因素主要有溫度、水深、壓力等。近年來國(guó)內(nèi)外的研究越來越多，可見飽和氣體濃度對(duì)魚類的影響比較大。

3 結(jié)束語(yǔ)

過魚保護(hù)領(lǐng)域的諸多領(lǐng)域都涉及了數(shù)值模擬的方法和技術(shù)，它作為一種成熟的技術(shù)，現(xiàn)不斷被人們靈活應(yīng)用在過魚保護(hù)的各個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)了整個(gè)過魚保護(hù)的研究進(jìn)程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其高效、準(zhǔn)確的數(shù)值模擬技術(shù)在過魚保護(hù)中的應(yīng)用越來越廣泛，正為魚保護(hù)技術(shù)的突破發(fā)揮出巨大的潛力。

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