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        堰-底孔組合式魚(yú)道堰頂布置優(yōu)化研究

        2021-09-02 02:28:32黃建宇
        中國(guó)農(nóng)村水利水電 2021年8期
        關(guān)鍵詞:堰頂魚(yú)道底孔

        黃建宇,魏 萍,紀(jì) 超,王 彪,王 浩

        (1.南昌龍行港口集團(tuán)有限公司,南昌330029;2.水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院,南京210034;3.江西省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司新干航電樞紐分公司,江西吉安331300;4.江西交遠(yuǎn)物流有限公司,江西南昌330029)

        0 引 言

        隔板式魚(yú)道按隔板上過(guò)魚(yú)孔的形狀,可分為溢流堰式、孔口淹沒(méi)式、豎縫式及組合式。組合式魚(yú)道可將各種型式魚(yú)道的優(yōu)點(diǎn)集合,取長(zhǎng)補(bǔ)短,充分發(fā)揮各種型式魚(yú)道的優(yōu)勢(shì),適合多種魚(yú)類同時(shí)通過(guò),提高過(guò)魚(yú)效率。溢流堰和底孔結(jié)合的堰-底孔組合式魚(yú)道,不僅能較好地發(fā)揮兩種類型過(guò)魚(yú)孔的水力特性,靈活地控制池室的流速和水流結(jié)構(gòu),而且能滿足不同習(xí)性魚(yú)類的過(guò)魚(yú)需求,是國(guó)外常用的魚(yú)道型式[1,2]。其中,淹沒(méi)孔口式魚(yú)道適用于底層洄游的魚(yú)類,能適應(yīng)上下游較大的水位變幅[1,3],溢流堰式魚(yú)道適用于表層洄游和有跳躍習(xí)性的魚(yú)類[4]。堰頂缺口將水流限制在缺口中,增加了池室中的能量耗散,溢流堰缺口型式有很多,有的布置在中央位置,有的布置在堰頂兩側(cè)左右交錯(cuò),但通過(guò)大量的魚(yú)類觀測(cè)發(fā)現(xiàn),一些魚(yú)在穿過(guò)一系列有交錯(cuò)孔或交錯(cuò)槽的魚(yú)道隔板時(shí),表現(xiàn)得非常不適應(yīng),有交錯(cuò)孔或交錯(cuò)槽的魚(yú)道池室內(nèi)水流主流彎曲程度大,魚(yú)類洄游道路曲折,不利于魚(yú)類沿著主流上溯[5]。汪洪波[6]等運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了橫隔板魚(yú)道的水力特性,表明此類型魚(yú)道內(nèi)水流流態(tài)穩(wěn)定。劉鵠[7]、王琲[2]、黃明海[8]等分別研究了豎縫式魚(yú)道與孔口式魚(yú)道、溢流堰式魚(yú)道、潛孔式魚(yú)道組合的組合式魚(yú)道的水力特性,結(jié)果均表明組合式魚(yú)道的水力學(xué)條件較好,適合不同習(xí)性和種類的魚(yú)類通過(guò)。

        溢流堰式魚(yú)道隔板設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,但其堰頂形狀、尺寸、外形及孔口布置都是需要研究的重要特征,因此,本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)堰-底孔組合式魚(yú)道不同堰頂缺口布置的水流特征進(jìn)行了研究,研究方法和思路可為同類型魚(yú)道的設(shè)計(jì)提供借鑒。

        1 數(shù)學(xué)模型建立

        1.1 魚(yú)道建?;緟?shù)

        堰-底孔組合式魚(yú)道單個(gè)池室凈寬2.0 m,長(zhǎng)2.6 m,每間隔10個(gè)過(guò)魚(yú)池設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)5.5 m 的平底休息池。魚(yú)道全長(zhǎng)720 m,魚(yú)道梯級(jí)數(shù)117個(gè),其中過(guò)魚(yú)池106個(gè),休息池11個(gè)。上游設(shè)計(jì)水位36.20 m,下游運(yùn)行水位30.70 m,對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)水頭5.5 m 的魚(yú)道設(shè)計(jì)流速為0.4~1.0 m/s,過(guò)魚(yú)對(duì)象為四大家魚(yú)等經(jīng)濟(jì)魚(yú)類,流速基本滿足過(guò)壩魚(yú)類的喜愛(ài)流速范圍。池內(nèi)設(shè)兩個(gè)底孔加一堰頂缺口的組合式隔板,隔板厚20 cm。隔板兩底孔尺寸為0.3 m×0.3 m,底孔居中布置;堰頂缺口尺寸為1 m×1 m,在池室底板高程假定為0 m 時(shí),堰頂缺口底邊相對(duì)高程為1 m,相鄰隔板交錯(cuò)布置。魚(yú)道內(nèi)設(shè)計(jì)水深為2 m,入口底板高程假定為0 m,斜坡段底坡1∶50,斷面型式如圖1所示。

        圖1 魚(yú)道細(xì)部尺寸Fig.1 Fishway detail size

        研究中選取靠近下游的10 個(gè)池室,9 個(gè)隔板建模,池室編號(hào)從下游到上游按魚(yú)類洄游路線編號(hào)為1~10號(hào),下游進(jìn)口處設(shè)為1號(hào)池室,上游為10號(hào)池室。底孔編號(hào)從下游到上游為1~9。

        1.2 控制方程

        魚(yú)道內(nèi)水流流動(dòng)考慮是不可壓縮水流流動(dòng)問(wèn)題,湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

        數(shù)學(xué)模型控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和k-ε方程:

        連續(xù)性方程:

        動(dòng)量方程:

        紊動(dòng)能k方程:

        紊動(dòng)能耗散率ε方程:

        式中:t為時(shí)間,s;u、v、w為x、y、z方向的時(shí)均速度分量為坐標(biāo)分量,m/s;ρ為水體密度,kg/m3;μ、μt為水體的黏性系數(shù)和紊動(dòng)渦黏系數(shù),m2/s;p為時(shí)均壓強(qiáng),Pa;gi為重力加速度,m/s2;k為紊動(dòng)能,m2/s2;ε為紊動(dòng)能耗散率,m2/s3;Gk為紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng),各項(xiàng)紊流常數(shù)取值為Cμ=0.09、σε=1.3、σk=1.0、Cε1=1.44、Cε2=1.92。

        追蹤自由液體表面采用VOF 方法,通過(guò)計(jì)算水和氣的體積分?jǐn)?shù)來(lái)表征物體的形態(tài),aa表示氣體的體積分?jǐn)?shù),aw表示水的體積分?jǐn)?shù),其控制方程如下:

        1.3 網(wǎng)格剖分

        魚(yú)道池室水流條件計(jì)算網(wǎng)格劃分的思路為:在形狀復(fù)雜的區(qū)域采用四面體單元?jiǎng)澐址墙Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格,在形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的區(qū)域劃分為六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。由于使用壁面函數(shù)法,在劃分網(wǎng)格時(shí)不需要在壁面區(qū)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密。魚(yú)道形狀相對(duì)簡(jiǎn)單,為保證網(wǎng)格質(zhì)量,計(jì)算區(qū)域采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分,隔板過(guò)魚(yú)孔(堰頂缺口和底孔)局部加密。池室內(nèi)采用網(wǎng)格尺寸0.1 m,隔板過(guò)魚(yú)孔網(wǎng)格尺寸0.05 m,模型含54.45 萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn),11.98 萬(wàn)個(gè)六面體單元,網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

        圖2 魚(yú)道網(wǎng)格劃分(從左到右1~10號(hào))水流方向從右到左Fig.2 Fishway grid division(from left to right,1~10#)flow direction from right to left

        1.4 邊界條件

        進(jìn)出口邊界條件設(shè)置為壓力出口,采用進(jìn)出口自由面水位作為邊界條件;頂部邊界條件設(shè)壓力出口,壓強(qiáng)為大氣壓;邊墻和底板設(shè)為無(wú)滑移固壁邊界。

        1.5 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

        數(shù)學(xué)模型采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的池室水深和底孔流速進(jìn)行驗(yàn)證,工況為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)的工況,上游水深1.38 m,下游水深0.39 m。水深測(cè)點(diǎn)為池室中間左右兩側(cè),每個(gè)池室實(shí)測(cè)2 個(gè)測(cè)點(diǎn),池室水深結(jié)果取2 個(gè)測(cè)點(diǎn)水深的平均值,底孔流速按水流方向分為左右底孔,以ADV聲學(xué)多普勒流速儀測(cè)量測(cè)點(diǎn)速度大小及方向,結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。如圖可見(jiàn),數(shù)學(xué)模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)吻合較好,數(shù)值模擬可以比較準(zhǔn)確地模擬魚(yú)道池室內(nèi)的水流流態(tài)。

        圖3 池室水深對(duì)比Fig.3 Comparison of Water depth of the pool room

        圖4 底孔流速對(duì)比Fig.4 Comparison of the Bottom hole flow rate

        1.6 計(jì)算方案

        不同的堰頂形狀會(huì)改變魚(yú)道池室內(nèi)的水流特征。如圖5所示,堰頂缺口的寬度B為1 m 保持不變,相鄰過(guò)魚(yú)堰頂缺口交錯(cuò)部分長(zhǎng)度為p,如圖6,設(shè)無(wú)量綱參數(shù)p/B,分析p/B為0(方案1)、0.4(方案2)、0.6(方案3)、0.8(方案4)、1.0(方案5)在魚(yú)道運(yùn)行水深h=2.0 m 的水流結(jié)構(gòu),從方案1到方案5的p/B逐漸增大,上下池室堰頂缺口錯(cuò)縫偏移逐漸減小。p/B等于0時(shí),堰頂缺口左右交錯(cuò)布置,p/B等于1時(shí),堰頂缺口布置在隔板中間,隔板左右完全對(duì)稱。

        圖5 p/B=0魚(yú)道水池結(jié)構(gòu)布置Fig.5 P/B=0 Structural layout of fishway pool

        圖6 p/B>0魚(yú)道水池結(jié)構(gòu)布置Fig.6 p/B>0 Structural layout of fishway pool

        2 結(jié)果與分析

        2.1 池室流態(tài)分析

        堰-底孔組合式魚(yú)道系溢流堰式魚(yú)道和孔口式魚(yú)道的結(jié)合,沿水深方向具有不同的水流流態(tài)。為了避免進(jìn)出口邊界對(duì)池室流態(tài)的影響,選取中間池室5號(hào)進(jìn)行分析,考慮魚(yú)類通過(guò)堰頂和底孔不同的洄游路線,選取兩個(gè)不同水深的平面流場(chǎng)進(jìn)行分析,兩個(gè)平面分別位于距池底以上0.15 和1.5 m,0.15 m 處的平面流場(chǎng)能夠反映兩底孔的水流特征,1.5 m處的平面流場(chǎng)能反映堰頂?shù)乃魈卣鳎瑘D層位置示意圖如圖7所示。分析了5 種方案兩個(gè)水層的流速分布,圖8列出了方案1到方案5不同水層的流速分布和流速矢量圖。

        圖7 不同水層流速云圖三維模型(P/B=0)Fig.7 Three dimensional model of flow velocity cloud diagram of different water layers(P/B=0)

        魚(yú)類在進(jìn)入魚(yú)道進(jìn)口后,其過(guò)魚(yú)效果主要取決于隔板過(guò)魚(yú)孔流速及池室內(nèi)流態(tài)。要求過(guò)魚(yú)孔流速小于過(guò)魚(yú)對(duì)象的克流能力,池室內(nèi)主流明確,有一定回流,但回流不能過(guò)于劇烈,范圍不能過(guò)大,以免魚(yú)類迷失方向,延誤上溯時(shí)間[9,10]。

        如圖8(a)所示,p/B等于0 時(shí),通過(guò)隔板堰頂進(jìn)入下級(jí)水池的水流,上級(jí)魚(yú)池水流通過(guò)堰頂缺口進(jìn)入下級(jí)魚(yú)池時(shí)受隔板橫向?qū)О遄饔?,堰孔流出的水流偏向堰孔一?cè),受下級(jí)隔板堰頂缺口影響在池室3/4 處開(kāi)始偏向下級(jí)堰頂缺口一側(cè),水流沿邊壁流動(dòng)直到受到下一級(jí)隔板阻擋后改變方向,沿下一級(jí)隔板邊壁流動(dòng)。從流速矢量圖來(lái)看,堰頂處水層主流明確,但存在明顯的主流貼壁現(xiàn)象,主流的另一側(cè)存在超過(guò)池室2/3 面積的大范圍回流區(qū),回流區(qū)的范圍較大。從流速云圖來(lái)看,最大流速0.76 m/s,出現(xiàn)在堰頂缺口前緣,主流在池室內(nèi)流速超過(guò)0.6 m/s的區(qū)域主要位于堰孔附近和堰孔同側(cè)邊壁附近,池室內(nèi)大部分區(qū)域主流流速約為0.4~0.7 m/s,回流區(qū)流速值不大,在0.1~0.3 m/s 之間,回流強(qiáng)度不大,能夠滿足四大家魚(yú)等經(jīng)濟(jì)魚(yú)類洄游要求。距離池底0.15 m 范圍內(nèi)的水流由底孔進(jìn)入水池,如圖8所示,在整個(gè)水池底部水深范圍內(nèi)形成了較大的回流區(qū),底孔處最大流速達(dá)到0.93 m/s,兩底孔的流速分布不均,遠(yuǎn)離堰頂缺口一側(cè)底孔流速大于0.7 m/s的區(qū)域面積大于另一側(cè)底孔。

        圖8 不同方案下魚(yú)道池室不同水層流態(tài)Fig.8 Flow pattern of different water layers in fishway pool chamber under different schemes

        如圖8(b)所示,p/B等于0.4 時(shí),流速分布規(guī)律與p/B等于0時(shí)基本一致。堰頂處水層主流寬度與堰頂缺口寬度接近(堰頂缺口寬度1.0 m),主流最大流速增大至0.83 m/s,堰頂處水層主流明確,主流貼壁現(xiàn)象有所緩解,主流另一側(cè)的回流區(qū)面積較P/B等于0 時(shí)略有減小。底孔處水層最大流速0.90 m/s,出現(xiàn)在遠(yuǎn)離堰頂缺口一側(cè)底孔處,另一側(cè)底孔處仍有較大面積的回流區(qū)。

        如圖8(c)所示,p/B等于0.6 時(shí),堰頂處水層主流兩側(cè)回流區(qū)發(fā)生變化,回流區(qū)面積由原來(lái)的2/3 減少至約1/2,主流最大流速為0.96 m/s,堰頂處水層主流明確,相對(duì)于P/B等于0 時(shí),主流彎曲程度小,主流平順,基本沒(méi)有主流貼壁現(xiàn)象。底孔處水層最大流速0.81 m/s,出現(xiàn)在遠(yuǎn)離堰頂缺口一側(cè)底孔處,兩底孔流速分布不均的現(xiàn)象有所改善,底孔主流的流速在0.5~0.7 m/s之間,回流區(qū)的流速小于0.3 m/s,各個(gè)水層流速分布滿足不同種類、不同水層的目標(biāo)魚(yú)類上溯洄游要求。

        如圖8(d)和圖8(e)所示,p/B大于等于0.8 時(shí),堰頂處水層主流接近一條直線,主流寬度等于堰頂缺口寬度,在主流兩側(cè)形成兩個(gè)面積較小的回流區(qū)。p/B等于0.8 時(shí),主流最大流速1.17 m/s,p/B等于1.0時(shí),主流最大流速1.38 m/s。底孔處水層的流速分布接近于對(duì)稱,兩底孔流速分布基本相同,P/B等于0.8底孔最大流速0.60 m/s,p/B等于1.0底孔最大流速0.47 m/s。p/B大于等于0.8 時(shí),各個(gè)水層的主流明確,流態(tài)較好,但最大流速超過(guò)四大家魚(yú)等經(jīng)濟(jì)魚(yú)類洄游極限,對(duì)于部分游泳能力較弱的魚(yú)類及幼魚(yú),可能會(huì)形成流速障礙。

        方案2 到方案5 逐漸降低了上下池室堰錯(cuò)峰偏移,隨著p/B增大,受隔板的阻礙作用逐漸減小,主流的彎曲程度減小,池室內(nèi)回流區(qū)范圍逐漸減少,但由于減小了隔板對(duì)水流的阻礙,能量耗散小,因此堰處主流流速逐漸增大。設(shè)計(jì)方案堰頂缺口居于隔板一側(cè),遠(yuǎn)離堰頂缺口一側(cè)的底孔流速明顯大于近堰頂缺口一側(cè)的底孔流速,遠(yuǎn)離堰頂缺口一側(cè)的底孔主流扭曲度大。優(yōu)化了隔板的相對(duì)位置后,兩底孔的流速逐漸接近對(duì)稱,遠(yuǎn)離堰一側(cè)的底孔主流逐漸明確,說(shuō)明底孔的流態(tài)受堰頂缺口的布置方式影響。

        2.2 堰頂處主流彎曲程度與衰減規(guī)律分析

        最大主流流速沿程變化曲線一定程度上反映了流速衰減效果。如前所述,池室堰錯(cuò)縫偏移越大,池室內(nèi)主流越彎曲。為了系統(tǒng)地分析池室內(nèi)堰頂處水層主流流速的衰減規(guī)律,以池室5 號(hào)為研究對(duì)象,池室長(zhǎng)為x軸,方向?yàn)樗髁飨?,提取池室?nèi)主流流速的最大值,沿x軸方向繪制成圖,各方案沿程流速如圖9所示。

        設(shè)參數(shù)1-Vmin/Vmax為最大衰減率,其一定程度上反映出水池內(nèi)的流速衰減效果,各方案最大衰減率見(jiàn)表1,由圖9和表1可以看出,主流流速衰減排序依次為:方案1>方案2>方案3>方案4>方案5。方案1 由于隔板對(duì)水流的阻礙作用,主流的最大衰減率最大為54.1%;方案2 到5 降低了上下池室堰錯(cuò)縫偏移,減少了隔板對(duì)水流的阻礙作用,其最大衰減率逐漸減少。

        圖9 堰處流速沿程分布Fig.9 Velocity distribution along weir orifice

        表1 主流軌跡線流速最大衰減率分布表Tab.1 Distribution of maximum attenuation rate of mainstream velocity

        2.3 推薦方案紊動(dòng)能分析

        魚(yú)道中水流的紊動(dòng)能過(guò)高,魚(yú)類將消耗更多的能量,降低魚(yú)類的游動(dòng)能力和平衡能力,使其無(wú)法順利完成上溯。適當(dāng)?shù)奈闪鲃?dòng)可為魚(yú)類提供良好而穩(wěn)定的水流條件,保證魚(yú)類的上溯[11,12]。

        圖10列出了方案1和方案3堰頂處水層和底孔處水層紊動(dòng)能分布圖,由圖可見(jiàn),兩種方案均是水流經(jīng)過(guò)隔板堰頂缺口處紊動(dòng)能達(dá)到最大值,紊動(dòng)能在魚(yú)道池室內(nèi)總體較小。兩種方案魚(yú)道大部分區(qū)域紊動(dòng)能均不超過(guò)0.06 m2/s2,滿足過(guò)魚(yú)對(duì)紊動(dòng)能的要求。

        圖10 紊動(dòng)能分布(單位:m2/s2)Fig.10 Distribution of turbulent kinetic energy

        3 結(jié) 論

        針對(duì)某堰-底孔組合式魚(yú)道,建立魚(yú)道三維數(shù)學(xué)模型,對(duì)不同的堰頂缺口布置方式進(jìn)行分析,得出如下結(jié)論:

        (1)上下池室堰頂缺口相對(duì)位置對(duì)池室流態(tài)影響較大。p/B越小,池室內(nèi)主流越彎曲,回流區(qū)范圍越大,此時(shí)魚(yú)道池室內(nèi)消能效果較好,堰頂處主流速度較小。通過(guò)增大p/B,能有效減少堰頂處主流彎曲程度,減小回流區(qū)范圍。

        (2)上下池室堰頂缺口相對(duì)位置對(duì)底孔的流速分布和流態(tài)具有顯著影響。交錯(cuò)缺口的設(shè)置會(huì)使兩底孔的流速分布不均,遠(yuǎn)離堰頂缺口一側(cè)的底孔流速相對(duì)較大,底孔主流不明確。通過(guò)增大P/B,能改善底孔處流態(tài),降低底孔流速。

        (3)對(duì)于本工程而言,p/B=0.6 時(shí),魚(yú)道池室內(nèi)流速分布合理,最大流速小于1.0 m/s,主流明確,回流區(qū)范圍相對(duì)較小,池室內(nèi)紊動(dòng)能最大值為0.06 m2/s2,滿足過(guò)壩魚(yú)類上溯要求。 □

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