董志勇,余俊鵬,黃 洲

(浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,人們對(duì)水資源的需求日益增長(zhǎng),在河流上修筑了許多水閘、大壩等水工建筑物,這些工程在興利除害的同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境也帶來一些影響[1],例如對(duì)魚類洄游造成阻礙。魚道作為一種生態(tài)補(bǔ)償工程,對(duì)于保護(hù)魚類資源,恢復(fù)河流生物多樣性起著重要作用[2]。已有研究資料[3]表明,在全球已建成的魚道中,魚類能夠溯游通過的魚道尚不足一半。因此,研究魚道水力特性,尤其是魚道紊流結(jié)構(gòu)的特征,對(duì)魚道設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

魚道型式可大致分為豎縫式、堰流式、孔口式及其組合式等幾種型式。豎縫式魚道對(duì)水位變化的適應(yīng)性較好,Guiny等[4]對(duì)豎縫式魚道的水力特性和生物特性進(jìn)行過較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究；孫雙科等[5]對(duì)北京市上莊新閘豎縫式魚道的水力特性做過模型試驗(yàn)研究；董志勇等在大比尺魚道模型中試驗(yàn)研究了同側(cè)豎縫式魚道的水力特性[6],此外,還試驗(yàn)研究了異側(cè)豎縫式魚道的水力特性[7]。堰流式魚道適宜于具有跳躍性的魚類,Rajaratnam等[8]提出了預(yù)測(cè)堰流式魚道水流流態(tài)從跌落流到滑移流的判別標(biāo)準(zhǔn)；Kim[9]試驗(yàn)研究了不同堰型的水力特性及其對(duì)溢流堰魚道中魚類溯游的影響。關(guān)于紊流結(jié)構(gòu)對(duì)魚類溯游行為影響的研究,Enders等[10]研究了紊動(dòng)對(duì)大西洋鮭魚游泳能量消耗的影響；Liao等[11]闡述了鮭魚在旋渦之間改變游泳姿態(tài)可以減少其軸向肌肉活動(dòng),表明合適的紊流結(jié)構(gòu)有助于魚類溯游；Liu等[12]研究了不同坡度豎縫式魚道水流的平均動(dòng)能、紊動(dòng)能、紊動(dòng)強(qiáng)度及雷諾應(yīng)力；Lacey等[13]基于紊流的強(qiáng)度、周期、方向、規(guī)模4個(gè)特征,研究了魚類在紊流中的游泳行為。迄今為止,人們對(duì)單一式(豎縫式、堰流式、孔口式)魚道研究較多,對(duì)于組合式魚道則僅有些數(shù)值模擬研究[14- 16],而對(duì)于組合式魚道紊流結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究,迄今鮮有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。由于沿海、沿江洄游性魚類眾多,其溯游習(xí)性各異,傳統(tǒng)的單一式魚道難以滿足不同魚類的溯游習(xí)性。

本文在大比尺魚道水槽中試驗(yàn)研究了凹口溢流堰與豎縫同側(cè)布置組合式魚道的紊流結(jié)構(gòu),以期提高人們對(duì)此種組合式魚道紊流結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí),為優(yōu)化魚道設(shè)計(jì)、修復(fù)魚類生境提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備與量測(cè)技術(shù)

試驗(yàn)在浙江工業(yè)大學(xué)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室大比尺魚道水槽中進(jìn)行。魚道水槽長(zhǎng)20.0 m,寬0.6 m,深1.0 m,水槽主要由3段組成,即入流段、工作段及出流段。工作段由4個(gè)水池組成,其兩側(cè)為有機(jī)玻璃,水池沿流動(dòng)方向呈階梯式,階梯高度為5 cm。凹口堰與豎縫組合式隔板在階梯以上高度均為65 cm,凹口堰寬20 cm,深25 cm,豎縫寬10 cm。三維流速由SonTek公司的Micro ADV量測(cè),流量由出流段的矩形堰測(cè)讀。

圖1 魚道水槽坐標(biāo)系示意

魚道水槽坐標(biāo)系定義如圖1所示,坐標(biāo)原點(diǎn)位于水池上游組合式隔板右下角,沿水槽縱向設(shè)為x軸,橫向?yàn)閥軸,垂向?yàn)閦軸。豎縫采取同側(cè)布置方式,沿垂向(z向)取不同深度水平面(10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、44 cm、48 cm),每一水平面沿縱向(x向)取多條橫線(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、30 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm、130 cm、150 cm、160 cm、165 cm、170 cm、175 cm),在每條橫線(y向)上布設(shè)多個(gè)測(cè)點(diǎn)(5 cm、7.5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、24 cm、28 cm、32 cm、36 cm、40 cm、45 cm、50 cm、52.5 cm、55 cm、57.5 cm)。試驗(yàn)流量Q=49.7 L/s,相應(yīng)的水池?cái)嗝嫫骄魉賃=15.9 cm/s。以3號(hào)水池作為試驗(yàn)水池,水池長(zhǎng)L=180 cm,水池寬B=60 cm,池內(nèi)水深H=52 cm。定義z=0～20 cm為水池底層,z=20～40 cm為水池中層,z=40～52 cm為水池表層。工作段水池水位采用自動(dòng)水位測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)量測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 三維時(shí)均流速

2.1.1 縱向流速

水池前部縱向流速沿橫向分布如圖2(a)所示,從圖中可以看出,表層z=48 cm由于受到凹口堰跌落射流的影響,凹口堰附近縱向流速較大,其他深度的縱向流速沿橫向分布具有壁面射流流速分布的特征。平面壁面射流分布規(guī)律如圖中實(shí)線所示,可表示為

(1)

式中:u為縱向流速,cm/s。

圖2 不同橫斷面上縱向流速沿橫向分布

圖2(b)為水池后部縱向流速沿橫向分布,由圖可見,相對(duì)于水池前部,凹口堰對(duì)表層水流的影響明顯小于水池前部,圖中實(shí)線為壁面射流,可表示為

(2)

2.1.2 橫向流速與垂向流速

圖3為水池橫向流速沿橫向分布,除表層外,其他深度的試驗(yàn)點(diǎn)可擬合為

(3)

式中:v為橫向流速,cm/s。

從圖中可以看出,除堰流區(qū)表層外,水池后部橫向流速基本為負(fù)值,表明水流受隔板阻擋形成沖擊射流,往遠(yuǎn)離豎縫的方向流動(dòng),從而形成回流。水池垂向流速沿橫向分布如圖4所示,垂向流速可擬合為

(4)

式中:w為垂向流速,cm/s。

圖3 橫向流速沿橫向分布(x=175 cm)

圖4 垂向流速沿橫向分布(x=90 cm)

2.1.3 最大縱向流速衰減規(guī)律

三維紊動(dòng)射流按其最大速度衰減率可分為3個(gè)明顯不同流動(dòng)區(qū)域,即勢(shì)流核心區(qū)、特征衰減區(qū)和徑向型衰減區(qū),可表示成冪函數(shù)形式:

(5)

式中:um為任意x處的最大流速,cm/s；R為出流孔水力半徑,cm；n為衰減指數(shù)。

圖5 最大流速沿程衰減

不同深度最大流速沿程衰減如圖5所示,依照式(5),x/R在0～10內(nèi)可擬合為一條直線,x/R>10可擬合為

(6)

與平面自由壁面射流對(duì)比,組合式魚道的壁面射流區(qū)存在勢(shì)流核心區(qū)和特征衰減區(qū),但未出現(xiàn)徑向型衰減區(qū),且特征衰減區(qū)的表層流速衰減相對(duì)緩慢,主要是由壁面射流卷吸所致。

2.2 紊動(dòng)強(qiáng)度

紊動(dòng)強(qiáng)度是表征流速脈動(dòng)強(qiáng)弱的一個(gè)特征量,可表示為

(7)

圖6(a)為縱向紊動(dòng)強(qiáng)度沿橫向分布,由圖可見,縱向紊動(dòng)強(qiáng)度在堰流區(qū)較大,其他區(qū)域則較平緩。由于凹口堰跌落射流流速較大,卷吸周圍流體和劇烈摻混,致使堰流區(qū)表層的紊動(dòng)強(qiáng)度較大。橫向紊動(dòng)強(qiáng)度沿橫向分布如圖6(b)所示,從圖中可以看出,水池中部橫向紊動(dòng)強(qiáng)度為中間大兩邊小,呈上凸型分布。

圖6 紊動(dòng)強(qiáng)度變化

2.3 雷諾應(yīng)力

雷諾應(yīng)力的變化取決于紊流的擴(kuò)散、產(chǎn)生、耗散及應(yīng)力應(yīng)變的綜合效應(yīng)。相對(duì)雷諾應(yīng)力可表示為

(8)

水平面(z=48 cm)上雷諾應(yīng)力(ηxy)沿橫向分布與縱剖面(y=32 cm)上雷諾應(yīng)力(ηxz)沿程變化如圖7所示,由圖可見,水池前部堰流區(qū)和豎縫壁面射流區(qū)表層的雷諾應(yīng)力較大,且堰流區(qū)左右兩側(cè)雷諾應(yīng)力方向相反,中部和后部的雷諾應(yīng)力相對(duì)較小。堰流區(qū)表層前部的雷諾應(yīng)力明顯比中、后部大,中、底層則基本沿程不變,表明凹口堰跌落射流對(duì)表層雷諾應(yīng)力影響較大,主要是由跌落射流劇烈紊動(dòng)摻混所致。

圖7 雷諾應(yīng)力變化

2.4 自相關(guān)系數(shù)

流場(chǎng)中某一特征點(diǎn)不同時(shí)段τ的相關(guān)系數(shù),稱為該點(diǎn)的自相關(guān)系數(shù)RL,可表示為

(9)

式中:u′(t)為特征點(diǎn)t時(shí)刻的縱向脈動(dòng)流速;u′(t+τ)為特征點(diǎn)t+τ時(shí)刻的縱向脈動(dòng)流速。

水池中部水流特性對(duì)魚類的溯游有著重要影響,因此,分析水池中部表層不同區(qū)域的自相關(guān)系數(shù)變化具有重要意義。水池中部表層不同區(qū)域自相關(guān)系數(shù)如圖8所示。從圖中可以看出,豎縫壁面射流區(qū)的自相關(guān)系數(shù)相對(duì)于堰流區(qū)略小,但周期更短,表明豎縫壁面射流區(qū)的渦旋變化較快,渦旋之間的相關(guān)性比堰流區(qū)差。

圖8 自相關(guān)系數(shù)

2.5 紊動(dòng)尺度

對(duì)自相關(guān)系數(shù)進(jìn)行時(shí)間積分可以得到相應(yīng)的積分時(shí)間尺度ΛL,以衡量紊流場(chǎng)中不同渦旋的平均尺度,可表示為

(10)

圖9為不同區(qū)域積分尺度變化情況,從圖中可以看出,堰流區(qū)的積分尺度遠(yuǎn)大于豎縫壁面射流區(qū),且隨時(shí)間呈不斷增大的趨勢(shì),表明在堰流區(qū)存在較大尺度的渦旋結(jié)構(gòu)。

圖9 積分尺度

將自相關(guān)系數(shù)對(duì)時(shí)間求二次導(dǎo)數(shù)可以得到相應(yīng)的微分時(shí)間尺度λL,表征引起脈動(dòng)流速當(dāng)?shù)刈兓奈⑿u旋平均大小的一種度量,可表示為

(11)

圖10為不同區(qū)域微分尺度變化情況,從圖中可以看出,豎縫壁面射流區(qū)的微分尺度明顯比堰流區(qū)微分尺度大,意味著豎縫壁面射流區(qū)的微小渦旋比堰流區(qū)多。豎縫壁面射流區(qū)大部分都是一些微小的渦旋,而堰流區(qū)的渦旋尺度則明顯比豎縫壁面射流區(qū)大。

圖10 微分尺度

3 結(jié) 論

通過聲學(xué)多普勒測(cè)速儀實(shí)測(cè)溢流堰與豎縫組合式魚道的三維瞬時(shí)流速,得到以下主要結(jié)論:

(1) 魚道水池內(nèi)有兩股水流相互作用影響,縱向流速起主導(dǎo)作用。

(2) 堰流區(qū)的跌落射流對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力都有較大的影響,紊動(dòng)強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力均在此處出現(xiàn)峰值,這種紊流結(jié)構(gòu)有助于吸引具有跳躍習(xí)性的魚類過堰。

(3) 堰流區(qū)易于產(chǎn)生大尺度渦旋,豎縫壁面射流區(qū)則生成許多小尺度渦旋。

(4) 相比于單一式魚道,溢流堰與豎縫組合式魚道水流流態(tài)受凹口堰跌落射流和豎縫壁面射流共同作用,呈現(xiàn)出復(fù)雜的三維紊流結(jié)構(gòu)。