魚道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)值仿真研究

【摘要】本文通過對魚道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，基于流體計(jì)算的數(shù)值仿真技術(shù)，分別對優(yōu)化后魚道內(nèi)流態(tài)和紊動(dòng)能的結(jié)果進(jìn)行分析，得出：優(yōu)化后的豎縫-孔口組合式魚道內(nèi)的平均流速能降低30%以上，水流更為平緩，魚道各池室內(nèi)的表層豎縫流速較小，底層孔口流速較大，表層和底層的紊動(dòng)能均比較小。通過研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的豎縫-孔口組合式魚道內(nèi)的流速和流態(tài)對魚類的上溯是有利的。

【關(guān)鍵詞】魚道；優(yōu)化；流態(tài)；紊動(dòng)能

1.引言

我國的魚道研究工作起步較晚、發(fā)展較慢，許多魚道在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理上存在諸多問題[1]。從資料分析來看，國內(nèi)的魚道大部分運(yùn)行不理想[2]，由于多種原因，魚類不愿進(jìn)入魚道，魚道已經(jīng)廢棄，優(yōu)化魚道被提上了日程。國內(nèi)外有一些成功的優(yōu)化案例，例如，Peake S等人[3]研究了單側(cè)導(dǎo)豎式魚道的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，主要通過優(yōu)化魚道休息區(qū)尺寸和適合魚類游泳能力的流速的目標(biāo)函數(shù)，得出了最優(yōu)設(shè)計(jì)變量豎縫尺寸的數(shù)值解。1990年改建了綏芬河渠道攔河壩魚道，魚道隔板類型改用豎縫與底孔相結(jié)合的形式[4]；2000年改建的巢湖閘魚道，將原來的池堰式魚道改造成垂直豎縫式與底孔組合式魚道[5]。以上魚道經(jīng)改造后運(yùn)行的都比較成功。

2.魚道類型的優(yōu)化

董志勇[6]等人研究表明：對于同側(cè)豎縫式魚道，其水池內(nèi)射流、旋渦的作用較強(qiáng)而不利于魚類上溯；而在異側(cè)豎縫式魚道中，魚類很容易在水池中迷失方向。所以，有必要對豎縫式魚道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化提出了一種最優(yōu)的新結(jié)構(gòu)。組合式魚道隔板的過魚孔，一般為溢流堰、潛孔及豎縫的組合，此型隔板能較好地發(fā)揮各種型式孔口的水力特性，也能靈活地控制所需要的池室流態(tài)和流速分布，為現(xiàn)代魚道的設(shè)計(jì)中所常用。國外常用的組合方式是潛孔和堰的組合，如美國著名的邦維爾、麥克納里、北汊、冰港等壩的魚道。國內(nèi)組合式隔板魚道，有堰和堅(jiān)縫組合的江蘇太平閘魚道，孔口和豎縫組合的瀏河魚道，孔口和堰組合的湖南洋塘魚道等。

在西藏某水電站魚道優(yōu)化方案中，采用豎縫-孔口組合式魚道，如表1所示。孔口采用淹沒孔口式，是將隔板的過魚孔全部淹沒在水下，孔口流態(tài)是淹沒孔流，魚道的大部分水量從孔中通過，水流主要靠孔后擴(kuò)散來消能。最適應(yīng)喜在底層洄游的中、大型魚類，藏木水電站河段的典型魚類巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚都是底中層水性[7]。另外，淹沒孔口式隔板適應(yīng)上下游水位變動(dòng)性能較好。此型隔板結(jié)構(gòu)簡單，便于維修。

3.數(shù)學(xué)模型

在FLOW-3D軟件的基礎(chǔ)上，數(shù)值仿真采用納維-斯托克斯方程組描述，選用RNG湍流模型，對豎縫-孔口組合式魚道池室內(nèi)的水流進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析研究。

（1）質(zhì)量連續(xù)方程：

4.2 流態(tài)分析

取截面z=1.20m時(shí)進(jìn)行分析，是截取豎縫和孔口的截面。如表2中流線圖所示，水流由上游隔板豎縫處和孔口流入，上游隔板孔口水流主流沿側(cè)墻邊壁近似直線流向下游豎縫處；而上游隔板豎縫處的水流沿著側(cè)墻邊偏轉(zhuǎn)后分為兩股，一部分在池室內(nèi)形成漩渦，另一部流向下一個(gè)孔口。如表2中等值線圖所示，各池室的流速分布存在差異，池室內(nèi)主流流速較大，最大流速區(qū)域位置也基本一致，孔口的流速普遍大于豎縫處的流速，這是因?yàn)樨Q縫的截面寬度是0.30m，而孔口的截面寬度是0.50m；池室內(nèi)在豎縫和孔口之間中間區(qū)域流速較小，各池室中在主流區(qū)的兩側(cè)也有明顯回流。

表3中過魚池，是該過魚池為整個(gè)模型中的第五級(jí)，孔口的水流分成兩股，一股和豎縫水流摻混，流向下一個(gè)孔口；另一小股流向下一個(gè)豎縫處。而在過魚池中間形成兩個(gè)大漩渦，順時(shí)針方向流向下一個(gè)孔口。池室內(nèi)的最大流速發(fā)生在孔口處，最大流速為0.80m/s。兩個(gè)主流的兩側(cè)形成三個(gè)回流區(qū)，流速較小，在-0.20～0.20m/s范圍內(nèi)。

如表3中休息池所示，該休息池水流從上游隔板豎縫處和孔口流入，孔口處的水流分成兩股，一股直接流向下一個(gè)豎縫，另一豎縫處的水流摻混，流向下一個(gè)孔口。在池室的中間開成兩個(gè)小的漩渦，在右側(cè)的側(cè)墻邊壁開成一個(gè)小漩渦。休息池的水流的最大流速發(fā)生在孔口處，最大流速為0.80m/s。而豎縫處的流速在0.50m/s左右。休息池的大部分流速0.40m/s以下，能為魚類的休息創(chuàng)造良好的條件。

取截面z=2m時(shí)進(jìn)行分析，大約是魚道設(shè)計(jì)水深靠近表層的位置。如表2中流線圖所示，水流由上游隔板豎縫處流入，沿著豎縫側(cè)的墻壁，由下游隔板豎縫處流出，豎縫式魚道的整體主流軌跡呈“S”形曲線，在單一池室中呈現(xiàn)“L”。而在靠近下一個(gè)豎縫的同方向形成一個(gè)漩渦。如表2中等值線圖所示，池室的流速分布比較相似，池室內(nèi)主流流速較大，最大流速區(qū)域位置也基本一致，均在豎縫處和靠近豎縫的側(cè)墻邊壁；各池室中也有明顯回流。

如表3中過魚池所示，水流從上游隔板豎縫處流入，主流順著左側(cè)墻壁沿著下一個(gè)隔板邊壁流向下一個(gè)豎縫處，而在過魚池中間形成兩個(gè)大小不一的漩渦。上游隔板水流的最大流速發(fā)生在豎縫處，最大流速為0.50m/s。過魚池在中間位置和右側(cè)靠墻邊壁有回流區(qū)，大小在-0.20～0.05m/s范圍內(nèi)。下游隔板豎縫處的最大流速發(fā)生在與下一個(gè)過魚池交接處，最大流速為0.50m/s，最大流速的區(qū)域較小。

如表3中休息池所示，該休息池主流順著右側(cè)墻壁流向下一個(gè)豎縫處，而在休息池靠近豎縫處形成一個(gè)小漩渦。休息池的水流的最大流速發(fā)生在豎縫處，最大流速為0.50m/s。休息池中的最大流速在0.30m/s，休息池內(nèi)水流流速絕大部分為在-0.20～0.30m/s左右，符合設(shè)計(jì)內(nèi)部流速0.40m/s以下。

4.3 紊動(dòng)能分析

取Z=1.2m，如表4所示，過魚池的紊動(dòng)能在豎縫處達(dá)到了最大值0.0040m2/s2，孔口處的紊動(dòng)能普遍偏小，大約在0.0020m2/s2，而紊動(dòng)能沿著主流方向有逐漸減小的趨勢。回流區(qū)的紊動(dòng)能比較小，在接近下一個(gè)豎縫時(shí)，紊動(dòng)能逐漸變大。休息池的紊動(dòng)能在豎縫處達(dá)到最大值0.0030m2/s2，而孔口處的紊動(dòng)能在0.0014m2/s2.。回流區(qū)紊動(dòng)能大部分在0.0002m2/s2左右，休息池中的紊動(dòng)能主要發(fā)生在孔口側(cè)的邊壁附近，雖然區(qū)域較大，但其值較小，對上溯魚類的影響較小。

取Z=2m，如表4所示，過魚池的紊動(dòng)能在豎縫處達(dá)到了最大值0.0025m2/s2，池室內(nèi)的紊動(dòng)能普遍偏小，大約在0.0005m2/s2，而紊動(dòng)能沿著主流方向有逐漸減小的趨勢。回流區(qū)的紊動(dòng)能比較小，在接近下一個(gè)豎縫時(shí)，紊動(dòng)能逐漸變大。休息池的紊動(dòng)能在豎縫處達(dá)到最大值0.0010m2/s2.，主要發(fā)生在豎縫處附近，區(qū)域非常小，對上溯魚類幾乎沒有影響，給魚類提供了更好的休息空間。

5.小結(jié)

優(yōu)化后的魚道相比豎縫式魚道模型，魚道內(nèi)的平均流速降低了30%以上，水流也更為平緩。魚道沿垂向水流分層明顯，表層豎縫流速偏小，適合體長較小和喜在表中層水性的魚類通過。底層孔口流速偏大，適合喜底中層水性和喜急流水性的魚類通過，而魚道中層水流流速適中。另外，回流區(qū)域變大，可以為魚類提供休息場所。從紊動(dòng)能來看，表層和底層的紊動(dòng)能均比較小，不會(huì)使魚類迷失方向，對魚類的上溯影響較小。所以，認(rèn)為優(yōu)化的魚道結(jié)構(gòu)在流速和流態(tài)以及紊動(dòng)能方面對魚類洄游均有利。

參考文獻(xiàn)

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