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        堰-底孔組合式魚道堰頂布置優(yōu)化研究

        2021-09-02 02:28:32黃建宇
        中國農村水利水電 2021年8期
        關鍵詞:堰頂魚道底孔

        黃建宇,魏 萍,紀 超,王 彪,王 浩

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

        0 引 言

        隔板式魚道按隔板上過魚孔的形狀,可分為溢流堰式、孔口淹沒式、豎縫式及組合式。組合式魚道可將各種型式魚道的優(yōu)點集合,取長補短,充分發(fā)揮各種型式魚道的優(yōu)勢,適合多種魚類同時通過,提高過魚效率。溢流堰和底孔結合的堰-底孔組合式魚道,不僅能較好地發(fā)揮兩種類型過魚孔的水力特性,靈活地控制池室的流速和水流結構,而且能滿足不同習性魚類的過魚需求,是國外常用的魚道型式[1,2]。其中,淹沒孔口式魚道適用于底層洄游的魚類,能適應上下游較大的水位變幅[1,3],溢流堰式魚道適用于表層洄游和有跳躍習性的魚類[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左右交錯,但通過大量的魚類觀測發(fā)現,一些魚在穿過一系列有交錯孔或交錯槽的魚道隔板時,表現得非常不適應,有交錯孔或交錯槽的魚道池室內水流主流彎曲程度大,魚類洄游道路曲折,不利于魚類沿著主流上溯[5]。汪洪波[6]等運用數值模擬的方法研究了橫隔板魚道的水力特性,表明此類型魚道內水流流態(tài)穩(wěn)定。劉鵠[7]、王琲[2]、黃明海[8]等分別研究了豎縫式魚道與孔口式魚道、溢流堰式魚道、潛孔式魚道組合的組合式魚道的水力特性,結果均表明組合式魚道的水力學條件較好,適合不同習性和種類的魚類通過。

        溢流堰式魚道隔板設計簡單,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,本文結合工程實例對堰-底孔組合式魚道不同堰頂缺口布置的水流特征進行了研究,研究方法和思路可為同類型魚道的設計提供借鑒。

        1 數學模型建立

        1.1 魚道建?;緟?/h3>

        堰-底孔組合式魚道單個池室凈寬2.0 m,長2.6 m,每間隔10個過魚池設置一個長5.5 m 的平底休息池。魚道全長720 m,魚道梯級數117個,其中過魚池106個,休息池11個。上游設計水位36.20 m,下游運行水位30.70 m,對應設計水頭5.5 m 的魚道設計流速為0.4~1.0 m/s,過魚對象為四大家魚等經濟魚類,流速基本滿足過壩魚類的喜愛流速范圍。池內設兩個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,堰頂缺口底邊相對高程為1 m,相鄰隔板交錯布置。魚道內設計水深為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 魚道細部尺寸Fig.1 Fishway detail size

        研究中選取靠近下游的10 個池室,9 個隔板建模,池室編號從下游到上游按魚類洄游路線編號為1~10號,下游進口處設為1號池室,上游為10號池室。底孔編號從下游到上游為1~9。

        1.2 控制方程

        魚道內水流流動考慮是不可壓縮水流流動問題,湍流模型選用標準k-ε模型。

        數學模型控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程和k-ε方程:

        連續(xù)性方程:

        動量方程:

        紊動能k方程:

        紊動能耗散率ε方程:

        式中:t為時間,s;u、v、w為x、y、z方向的時均速度分量為坐標分量,m/s;ρ為水體密度,kg/m3;μ、μt為水體的黏性系數和紊動渦黏系數,m2/s;p為時均壓強,Pa;gi為重力加速度,m/s2;k為紊動能,m2/s2;ε為紊動能耗散率,m2/s3;Gk為紊動能產生項,各項紊流常數取值為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,通過計算水和氣的體積分數來表征物體的形態(tài),aa表示氣體的體積分數,aw表示水的體積分數,其控制方程如下:

        1.3 網格剖分

        魚道池室水流條件計算網格劃分的思路為:在形狀復雜的區(qū)域采用四面體單元劃分非結構網格,在形狀相對簡單的區(qū)域劃分為六面體結構網格。由于使用壁面函數法,在劃分網格時不需要在壁面區(qū)對網格進行加密。魚道形狀相對簡單,為保證網格質量,計算區(qū)域采用六面體網格進行網格劃分,隔板過魚孔(堰頂缺口和底孔)局部加密。池室內采用網格尺寸0.1 m,隔板過魚孔網格尺寸0.05 m,模型含54.45 萬個節(jié)點,11.98 萬個六面體單元,網格劃分見圖2。

        圖2 魚道網格劃分(從左到右1~10號)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

        進出口邊界條件設置為壓力出口,采用進出口自由面水位作為邊界條件;頂部邊界條件設壓力出口,壓強為大氣壓;邊墻和底板設為無滑移固壁邊界。

        1.5 數學模型驗證

        數學模型采用現場實測的池室水深和底孔流速進行驗證,工況為現場監(jiān)測實測的工況,上游水深1.38 m,下游水深0.39 m。水深測點為池室中間左右兩側,每個池室實測2 個測點,池室水深結果取2 個測點水深的平均值,底孔流速按水流方向分為左右底孔,以ADV聲學多普勒流速儀測量測點速度大小及方向,結果見圖3和圖4。如圖可見,數學模擬結果與現場實測的數據吻合較好,數值模擬可以比較準確地模擬魚道池室內的水流流態(tài)。

        圖3 池室水深對比Fig.3 Comparison of Water depth of the pool room

        圖4 底孔流速對比Fig.4 Comparison of the Bottom hole flow rate

        1.6 計算方案

        不同的堰頂形狀會改變魚道池室內的水流特征。如圖5所示,堰頂缺口的寬度B為1 m 保持不變,相鄰過魚堰頂缺口交錯部分長度為p,如圖6,設無量綱參數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)在魚道運行水深h=2.0 m 的水流結構,從方案1到方案5的p/B逐漸增大,上下池室堰頂缺口錯縫偏移逐漸減小。p/B等于0時,堰頂缺口左右交錯布置,p/B等于1時,堰頂缺口布置在隔板中間,隔板左右完全對稱。

        圖5 p/B=0魚道水池結構布置Fig.5 P/B=0 Structural layout of fishway pool

        圖6 p/B>0魚道水池結構布置Fig.6 p/B>0 Structural layout of fishway pool

        2 結果與分析

        2.1 池室流態(tài)分析

        堰-底孔組合式魚道系溢流堰式魚道和孔口式魚道的結合,沿水深方向具有不同的水流流態(tài)。為了避免進出口邊界對池室流態(tài)的影響,選取中間池室5號進行分析,考慮魚類通過堰頂和底孔不同的洄游路線,選取兩個不同水深的平面流場進行分析,兩個平面分別位于距池底以上0.15 和1.5 m,0.15 m 處的平面流場能夠反映兩底孔的水流特征,1.5 m處的平面流場能反映堰頂的水流特征,圖層位置示意圖如圖7所示。分析了5 種方案兩個水層的流速分布,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)

        魚類在進入魚道進口后,其過魚效果主要取決于隔板過魚孔流速及池室內流態(tài)。要求過魚孔流速小于過魚對象的克流能力,池室內主流明確,有一定回流,但回流不能過于劇烈,范圍不能過大,以免魚類迷失方向,延誤上溯時間[9,10]。

        如圖8(a)所示,p/B等于0 時,通過隔板堰頂進入下級水池的水流,上級魚池水流通過堰頂缺口進入下級魚池時受隔板橫向導板作用,堰孔流出的水流偏向堰孔一側,受下級隔板堰頂缺口影響在池室3/4 處開始偏向下級堰頂缺口一側,水流沿邊壁流動直到受到下一級隔板阻擋后改變方向,沿下一級隔板邊壁流動。從流速矢量圖來看,堰頂處水層主流明確,但存在明顯的主流貼壁現象,主流的另一側存在超過池室2/3 面積的大范圍回流區(qū),回流區(qū)的范圍較大。從流速云圖來看,最大流速0.76 m/s,出現在堰頂缺口前緣,主流在池室內流速超過0.6 m/s的區(qū)域主要位于堰孔附近和堰孔同側邊壁附近,池室內大部分區(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,回流強度不大,能夠滿足四大家魚等經濟魚類洄游要求。距離池底0.15 m 范圍內的水流由底孔進入水池,如圖8所示,在整個水池底部水深范圍內形成了較大的回流區(qū),底孔處最大流速達到0.93 m/s,兩底孔的流速分布不均,遠離堰頂缺口一側底孔流速大于0.7 m/s的區(qū)域面積大于另一側底孔。

        圖8 不同方案下魚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,流速分布規(guī)律與p/B等于0時基本一致。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,主流貼壁現象有所緩解,主流另一側的回流區(qū)面積較P/B等于0 時略有減小。底孔處水層最大流速0.90 m/s,出現在遠離堰頂缺口一側底孔處,另一側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,堰頂處水層主流兩側回流區(qū)發(fā)生變化,回流區(qū)面積由原來的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,相對于P/B等于0 時,主流彎曲程度小,主流平順,基本沒有主流貼壁現象。底孔處水層最大流速0.81 m/s,出現在遠離堰頂缺口一側底孔處,兩底孔流速分布不均的現象有所改善,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,各個水層流速分布滿足不同種類、不同水層的目標魚類上溯洄游要求。

        如圖8(d)和圖8(e)所示,p/B大于等于0.8 時,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,在主流兩側形成兩個面積較小的回流區(qū)。p/B等于0.8 時,主流最大流速1.17 m/s,p/B等于1.0時,主流最大流速1.38 m/s。底孔處水層的流速分布接近于對稱,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,各個水層的主流明確,流態(tài)較好,但最大流速超過四大家魚等經濟魚類洄游極限,對于部分游泳能力較弱的魚類及幼魚,可能會形成流速障礙。

        方案2 到方案5 逐漸降低了上下池室堰錯峰偏移,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,池室內回流區(qū)范圍逐漸減少,但由于減小了隔板對水流的阻礙,能量耗散小,因此堰處主流流速逐漸增大。設計方案堰頂缺口居于隔板一側,遠離堰頂缺口一側的底孔流速明顯大于近堰頂缺口一側的底孔流速,遠離堰頂缺口一側的底孔主流扭曲度大。優(yōu)化了隔板的相對位置后,兩底孔的流速逐漸接近對稱,遠離堰一側的底孔主流逐漸明確,說明底孔的流態(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,池室堰錯縫偏移越大,池室內主流越彎曲。為了系統(tǒng)地分析池室內堰頂處水層主流流速的衰減規(guī)律,以池室5 號為研究對象,池室長為x軸,方向為水流流向,提取池室內主流流速的最大值,沿x軸方向繪制成圖,各方案沿程流速如圖9所示。

        設參數1-Vmin/Vmax為最大衰減率,其一定程度上反映出水池內的流速衰減效果,各方案最大衰減率見表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縫偏移,減少了隔板對水流的阻礙作用,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 推薦方案紊動能分析

        魚道中水流的紊動能過高,魚類將消耗更多的能量,降低魚類的游動能力和平衡能力,使其無法順利完成上溯。適當的紊流動可為魚類提供良好而穩(wěn)定的水流條件,保證魚類的上溯[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能分布圖,由圖可見,兩種方案均是水流經過隔板堰頂缺口處紊動能達到最大值,紊動能在魚道池室內總體較小。兩種方案魚道大部分區(qū)域紊動能均不超過0.06 m2/s2,滿足過魚對紊動能的要求。

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

        3 結 論

        針對某堰-底孔組合式魚道,建立魚道三維數學模型,對不同的堰頂缺口布置方式進行分析,得出如下結論:

        (1)上下池室堰頂缺口相對位置對池室流態(tài)影響較大。p/B越小,池室內主流越彎曲,回流區(qū)范圍越大,此時魚道池室內消能效果較好,堰頂處主流速度較小。通過增大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位置對底孔的流速分布和流態(tài)具有顯著影響。交錯缺口的設置會使兩底孔的流速分布不均,遠離堰頂缺口一側的底孔流速相對較大,底孔主流不明確。通過增大P/B,能改善底孔處流態(tài),降低底孔流速。

        (3)對于本工程而言,p/B=0.6 時,魚道池室內流速分布合理,最大流速小于1.0 m/s,主流明確,回流區(qū)范圍相對較小,池室內紊動能最大值為0.06 m2/s2,滿足過壩魚類上溯要求。 □

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