太極式魚道水力特性試驗研究及數值模擬

郄志紅，郭麗云，吳鑫淼，冉彥立

?

太極式魚道水力特性試驗研究及數值模擬

郄志紅，郭麗云，吳鑫淼，冉彥立

（河北農業大學城鄉建設學院，保定 071001）

針對傳統魚道一經建成，其固體邊界條件已經固定，池室內水流流速分布變化不大而難以適應多種魚類通過的缺點，該文研究一種通過太極圓盤和八卦爻條消減水流能量，形成多態流速場以適應多種魚類洄游的太極式新型魚道，并對其進行了水力模型試驗和數值分析。首先通過模型試驗得到了魚道在不同工況下的流態和沿程水深變化，然后通過數值計算得到了與模型試驗相近的結果，并進一步分析了太極式魚道的表面流速、近底流速及關鍵橫斷面流速分布。結果表明：太極式新型魚道具有顯著的消能減速效果，最淺處水深達到無太極圓盤時相應最淺水深的2倍左右，斷面平均最大流速為0.95 m/s，相對于無太極圓盤的情況降低50%左右，池室內水流呈現多態化，另外隨太極圓盤方位不同流速場亦有明顯變化，該種魚道可為魚類提供更多適宜的洄游條件。

流速；模型；流體力學；太極式；魚道；數學仿真模擬；流態

0 引 言

水利工程在興利除害的同時有時也帶來一定的負面影響，如攔河工程會在一定程度上破壞河流的連通性，阻斷魚類的洄游通道[1-5]。魚道是改善河流連通性、保護物種多樣性的有效措施之一[6-11]。魚道在國外已有數百年的研究歷史，而在國內，魚道的研究歷史只有50多年。文獻檢索表明，國內外諸多學者通過對魚道進行大量的室內試驗研究與數值模擬計算研究，優化了魚道內部的水流流態與結構布置尺寸，規范了魚道設計方法，對于舊式魚道的改建與新型高效魚道的建設起到了關鍵的技術指導作用。Rajaratnam等[12-13]通過對豎縫式魚道池室流場的試驗研究發現，在池室的長寬比為/=10:8時，池室的流態穩定。Liu等[14-15]對豎縫式魚道進行了模型試驗研究，測量了池室內流速分布與紊動特性等水力指標。董志勇等[16-17]對同側、異側豎縫式魚道進行了水力特性試驗和放魚試驗，發現同側豎縫式魚道適用于中等流量情形，異側豎縫式魚道主流流速的沿程變化可用1條二次曲線描述。隨著計算機模擬技術的發展，徐體兵等[18]通過數值模擬計算研究發現魚道水池長寬比在8:8～10.5:8的范圍內，可以獲得較好的流態。張國強等[19]研究了豎縫寬度對水池內水流結構的影響，并給出豎縫寬度的合理取值范圍為/=0.15～0.20（、分別為豎縫寬度和池室寬度）。邊永歡等[20]的研究結果表明,豎縫斷面平均流速值在0.8～2.0 m/s范圍內時對于各級水池內主流區分布、主流流速的沿程衰減規律以及豎縫斷面流速分布并無顯著影響,并進一步研究了豎縫斷面流速分布與各級水池內主流流速分布的變化規律。除關于豎縫式魚道研究外，Yagci[21]和Ead等[22]分別對池堰式魚道的水力特性進行了試驗及理論研究；孫雙科等[23]對近自然魚道的設計方法和設計理念等進行了分析闡述。

目前國內仍有不少魚道運行效果不理想，有的魚道甚至建成即遭廢棄，如七里壟電站的魚道自建成后就從未有魚、蝦、蟹通過，湖南洋塘魚道1980年建成，自1984年就處于廢棄狀態[24-27]。傳統魚道的設計大多針對河流中數量較多的某類魚群，但天然河流存在著不同的洄游時期，并且在每個洄游時期里相應洄游魚類所適應的流速不同，由于傳統魚道一經建成，固體結構形狀也就相對固定，盡管水流會因流量大小等因素有一定變化，但其流速分布等變化不大，因而難以適應多種魚類通過，這便使得傳統魚道具有一定的局限性，可能導致過魚種類單一。因此本文將水力學與中國古代哲學思想相結合，提出一種通過太極圓盤和八卦爻條消減水流能量，且可形成多態流速場以適應多種魚類洄游的太極式新型魚道，并采用室內模型試驗與數值模擬相結合的方法對該新型魚道的水力特性進行初步分析。

1 太極式新型魚道的組成及工作原理

太極式新型魚道是一種基于古代道家哲學，以“太極八卦”變化的思想為基礎，通過陰陽八卦運動營造多變水流環境，改善傳統魚道過魚種類單一的缺點，形成多態流速場以適應不同魚類及其他水生生物的生活習性。

池室是魚道的基本結構單元。目前研究較多的豎縫式魚道，有同側豎縫和異側豎縫，通過池室的束窄和變寬改變水流的流態，消減能量。而太極式魚道也是通過池室的收縮和擴大，不同的是，太極式魚道池室邊壁采用圓弧曲線，池室之間相連的收縮區由反向圓弧平順銜接，通過水流的擴散、匯聚消能。池室邊壁設置丁壩式隔板，相當于外八卦爻條，上游來流經過外八卦爻條時會受到阻力，消減能量，外八卦爻條亦可為洄游魚類提供休憩場所。池室中設置太極圓盤，圓盤上陰陽魚間的過流通道具有分散水流、減弱水流能量的作用，陰陽魚周圍設置與其一起固定在圓盤上的內八卦爻條，本文為簡化起見，內外八卦均僅采用單個陽爻。轉動起來的太極圓盤與邊壁上的丁壩式隔板在不同的時刻組合成不同的運行工況，為水流的多態性創造條件。圖1為太極式魚道設計概念和池室細部結構圖。

圖1 太極式魚道設計概念和細部結構

2 研究方法

本文采用物理模型試驗和數學仿真模擬相結合的方法研究太極式新型魚道在不同工況下的水流特性，用物理模型試驗研究沿程水位變化和水流基本流態，而對于物理模型難以測量的表面及內部流速場分布情況則采用CFD數值模擬的方法。比較用這2種方法得到的沿程水位變化及水流基本流態，用物理試驗結果驗證數值模擬的準確性。

2.1 物理模型試驗

2.1.1 室內試驗設計

按照魚道設計相關規范[28]，制作物理模型。模型尺寸依據重力相似準則確定，具體尺寸如下：魚道寬度20 cm，魚道池室長度（即相鄰埡口間距）40 cm，魚道池室深度15 cm，豎縫寬度4 cm，坡度1:10，物理模型弧形邊壁的壁厚為1 cm，見圖2a。試驗模型坐標原點為休息室和池室1之間的進水口斷面位置，測點選在魚道中心線與典型斷面的交點上，即=0.11 m與各個典型斷面的交點，見圖2b。試驗采用潛水泵循環供水系統供水，上游設置泄水孔用以調節上游水位。整體模型制作完成后，首先進行“無太極圓盤和八卦爻條”（以下簡稱工況0）的過水試驗，并用測針測量選點的水深；安裝太極圓盤和八卦條后，再分2種工況測量魚道中心線上沿程水深，即S形通道近似正交或平行于魚道中心線2種情況，分別簡稱“工況1”和“工況2”，整體裝置、測點位置及3種工況示意圖見圖2。需要說明的是，為節省篇幅圖2c中分別以3個不同池室示出了3種工況，但試驗當中3個池室都對應同一工況。

圖2 試驗裝置、測量斷面及工況示意圖

2.1.2 過水試驗

過水試驗主要觀察水流流態和水深變化，采用水位測針測量中心線上典型測點（圖2b）處的水位，進而計算水深。3種工況下的過水試驗照片與水深測量結果如圖 3所示。在工況0條件下，由于魚道從埡口到池室過流斷面經歷了較大由窄到寬的變化，水流從急流過渡到緩流，發生了水躍現象，水深由淺變深，水面起伏較大，見圖 3a。安裝太極圓盤之后，工況1和工況2條件下，仍然發生水躍現象，但相比于工況0水流狀況得到明顯改善，水面起伏平緩，見圖3b，其中最淺處水深由無太極圓盤時的5 mm增加至10~12 mm，最淺處水深的增加2倍左右，相應地，斷面平均最大流速減小50%左右，說明加入太極裝置后的魚道消能減速效果明顯。

圖3 過水試驗及測量水深

2.1.3 過魚試驗

在過水試驗的同時也進行了過魚試驗。

在工況0時，將試驗魚放在池室3中，試驗魚在經過奮力游泳之后勉強游過了2個池室到達池室1，隨后又被水流沖回池室2，說明魚道中流速過大，還應采取進一步的消能措施。

在工況1和工況2時，試驗魚輕松游過3個池室到達上游的水箱。試驗說明，安裝太極圓盤和八卦爻條的消能和改變流態的效果明顯，增加了魚類洄游的舒適性。

2.2 數學仿真模擬

2.2.1 數學模型

為進一步分析水流特性，以物理試驗模型為基礎，對該太極式新型魚道建立數學模型，并進行數學仿真模擬計算。數學計算模型按照物理試驗模型尺寸設計，即魚道寬度0.20 m，魚道池室長度（即相鄰埡口間距）0.40 m，魚道池室深度0.15 m，豎縫寬度0.04 m，坡度1:10。

2.2.2 控制方程

對于復雜的流場研究，在一定程度上依賴于準確的數值模擬結果。本次試驗流體是水，根據流體力學理論，滿足連續介質假設的流體運動可以用Navier-Stokes方程準確計算。采用Navier-Stokes方程，建立太極式新型魚道三維水流RNG-紊流數學模型，控制方程包括連續性方程、動量方程、紊動能方程和紊動能耗散率方程[29-31]：

連續性方程

動量方程（N-S方程）

紊動能方程

紊動能耗散率方程

2.2.3 計算區域及邊界條件

取順水流方向為軸，寬度方向為軸，高度方向為軸，坐標原點與圖2b相同，即取在魚道進口斷面（=0）處。為使來流平穩，在=0～0.10 m是平底坡=0，坡面以下為實體。邊界條件：進口斷面有一定高度的初始水位，設置為壓力進口邊界；出口設為自由出流邊界；底部及兩側邊墻為固壁邊界，無滑移邊界條件；計算區域上方空氣入口設定為對稱邊界條件，即默認無流體穿過該邊界。

2.2.4 網格劃分

模型整體用0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm大小的網格劃分，由于池室結構復雜，為提高模擬計算精度，網格劃分時對太極式魚道池室結構用0.2 cm×0.2 cm×0.2 cm大小的網格進行局部網格加密處理。

3 結果與分析

3.1 計算模型準確性分析

以數學計算模型計算得出的魚道中心線上沿程水深與物理模型試驗結果的對比驗證數學模型的準確性。圖4為3種工況（工況0,1,2）下魚道中心線上實測與模擬水深的對比情況。結果表明，最大相對誤差在13.6%，小于15%的允許值[32]，實測斷面水深與數值模擬計算斷面水深變化趨勢基本一致。

圖4 3種工況下模擬水深和測量水深

3.2 流速場分析

3.2.1 自由表面的流速場分析

模擬計算的工況1和工況2的表面的流速場見圖 5a、5b。工況1與工況2的主流部分表面流速分布有所不同，但總體情況相似，池室中水流均出現明顯分區現象，水流多態。池室中央區域受主流的影響，從埡口到池室中心，流速范圍為0.27～1.0 m/s，最大速度1.0 m/s，出現在太極圓盤的前端，結合斷面尺寸推算出斷面平均最大流速為0.95m/s。池室兩側的非主流區的流速整體低于0.13 m/s，流向偏向魚道中心線，特別是埡口附近近壁水流流向與主流流向近乎相反，形成兩側的回流區，低流速和回流區可以為洄游魚提供較大區域的休憩場所，為沖擊埡口處的較大流速區積攢體力。魚沿池室邊壁洄游可有效避開最大流速區，節省體力。

圖5a、5b還顯示順水流向下級池室的水流更加分散，主流區范圍擴大，最大流速由1.0 m/s減小到0.9 m/s，流速減少0.1 m/s，水流自上而下逐級改善趨勢明顯。

3.2.2 臨底流速場分析

在數值模擬計算模型中，緊貼太極圓盤上表面做平行于底坡的剖面，該剖面與池室中心太極圓盤相交，觀察順水流方向上臨近底坡的流速場（圖5c、5d）。由于內八卦爻條均采用單個陽爻，故工況1和工況2的主要區別是S型通道內的水流流速，工況2中有水流通過，且流道前部流速較大。流速場的整體分布規律和趨勢與自由表面流速場大致相同，但與圖5a、5b相比，在太極圓盤后部的臨底流速小于0.25m/s，明顯小于表面流速，且在平面上分布較為均勻，這有賴于池室內形成的水躍及太極裝置產生的底流消能作用。

圖5 工況1、2的表面流速場和臨底流速場

3.2.3 橫斷面的流速場分析

在池室1、池室2中圓盤上各選取一個橫斷面，其橫坐標分別為=0.52 m、=0.80 m。斷面位置見圖6a，不同工況下橫斷面流速場分布見圖6b至圖6e。

在橫斷面=0.52 m處，工況1的斷面流速范圍0～0.40 m/s，最大流速0.40 m/s在斷面中心；工況2時的斷面流速范圍0～0.50 m/s，最大流速0.50 m/s在斷面中心，2種工況下，該橫斷面兩側的八卦爻條內側流速均可達到0.30 m/s。在橫斷面=0.80 m處，工況1的斷面流速范圍0～0.33 m/s，最大流速0.33 m/s在兩側的八卦爻條內側，斷面中心流速較低；工況2的斷面流速范圍0～0.40 m/s，最大流速0.40 m/s在斷面中心及八卦爻條邊緣。各斷面流速場均呈現較強的多態性，且不同工況的橫斷面最大流速及流速分布均有明顯差異。另外，比較圖6b和圖6d（或者圖6c和圖6e），表明在同一種工況下，下級池室斷面最大流速小于上游斷面最大流速，說明水流得到了進一步調整，使過魚阻力減小。

圖6 橫斷面位置及流速分布

4 結論與討論

太極式魚道的池室弧形邊壁和池室的設計與傳統魚道的相似之處在于通過過流通道的寬窄變化雍高埡口上游水位，在下游形成水躍，消減水流動能，降低流速，以利過魚。不同的是融入了中國古代哲學思想，通過池室中的太極圓盤（含內八卦爻條）轉動及與池壁上的外八卦爻條（丁壩式隔板）的組合，營造空間上“多態”和“應時而變”的水流，從而提高魚道的適用性。文章通過對無圓盤的魚道、太極圓盤的S形通道與水流近似正交與平行3種工況進行過水試驗、過魚試驗及數學仿真模擬，得出以下主要結論：

1）與無太極裝置的情況相比，太極圓盤和內外八卦條的組合顯著增強了魚道消能減速效果，最淺處水深達到無太極裝置時相應最淺水深的2倍左右，斷面最大平均流速減小50%左右。

2）太極式魚道池室中的表面水流有明顯分區現象，水流多態。池室自中間向兩側依次形成主流區（流速變化范圍為0.27～1.0 m/s，最大流速出現在太極圓盤的前端）、低速區（流速低于0.13 m/s）和回流區。低速區和回流區可以為洄游魚提供休憩場所，魚沿池室邊壁洄游可有效避開最大流速區，節省體力。

3）沿水流方向下級池室的水面最大流速低于上一級池室，流速減小0.1 m/s，水流自上而下主流區范圍擴大、流態改善。

4）池室內太極圓盤下游水流臨底流速分布均勻，小于0.25 m/s，且低于表面主流流速，水躍消能及太極裝置的輔助消能效果明顯。

5）池室內典型橫斷面流速場呈現較強的多態性。不同工況下，=0.52 m斷面的流速最大變動范圍為0～0.50 m/s，=0.80 m斷面的流速最大變動范圍為0～0.40 m/s，橫斷面最大流速及流速分布均有明顯差異，說明池室中太極圓盤的S形通道處于不同方位可以使流速場分布相應發生變化，即通過太極圓盤的轉動可以使魚道的流速場隨時間而變化。

太極式新型魚道是一種新型魚道，目前尚處于研究和探索階段。由于影響流態的因素眾多，比如八卦爻條、S形通道、陰陽魚、丁壩式隔板的尺寸等，本文進行的試驗將八卦簡化為一圈隔墻，即只有一個陽爻，未形成真正的八卦，今后將進一步研究這種新型魚道的結構、尺寸、轉動機構等問題。

[1] Kim J H, Yoon J D, Baek S H, et al. An efficiency analysis of a nature-like fishway for freshwater fish ascending a large Korean River[J]. Water, 2016, 8(1): 1－18.

[2] 汪紅波，王從鋒，劉德富，等. 橫隔板式魚道水力特性數值模擬研究[J]. 水電能源科學，2012，30(5)：65－68，141.

Wang Hongbo, Wang Congfeng, Liu Defu, et al. Study on numerical simulation of hydraulic characteristics of transverse diaphragm plate fishway[J]. Water Resources And Power, 2012, 30(5): 65－68，141. (in Chinese with English abstract)

[3] 劉志雄，周赤，黃明海. 魚道應用現狀和研究進展[J]. 長江科學院院報，2010，27(4)：28－31，35.

Liu Zhixiong, Zhou Chi, Huang Minghai. Situation and development of fishway research and application[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2010, 27(4): 28－31，35. (in Chinese with English abstract)

[4] 陳凱麒，常仲農，曹曉紅，等. 我國魚道的建設現狀與展望[J]. 水利學報，2012，43(2)：182－188.

Chen Kaiqi, Chang Zhongnong, Cao Xiaohong, et al. Status and prospection of fish pass construction in China[J]. Journal of Hydroecology, 2012, 43(2): 182－188. (in Chinese with English abstract)

[5] 陳凱麒，葛懷鳳，郭軍，等. 我國過魚設施現狀分析及魚道適宜性管理的關鍵問題[J]. 水生態學雜志，2013，34(4)：1－6.

Chen Kaiqi, Ge Huaifeng, Guo Jun, et al. Study on the situation analysis of fish passages and the key issues of adaptive management in China[J]. Journal of Hydroecology, 2013, 34(4): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[6] 鄭鐵剛，孫雙科，柳海濤，等. 基于魚類行為學與水力學的水電站魚道進口位置選擇[J]. 農業工程學報，2016，32(24)：164－170.

Zheng Tiegang, Sun Shuangke, Liu Haitao, et al. Location choice of fishway entrance in hydropower project based on fish behavioristics and hydraulics[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(24): 164－170. (in Chinese with English abstract)

[7] 李捷，李新輝，潘峰，等. 連江西牛魚道運行效果的初步研究[J]. 水生態學雜志，2013，34(4)：53－57.

Li Jie, Li Xinhui, Pan Feng, et al. Preliminary study on the operating effect of Xiniu fishway in Lianjiang River[J]. Journal of Hydroecology, 2013, 34(4): 53－57. (in Chinese with English abstract)

[8] 南京水利科學研究所. 魚道[M]. 北京：電力工業出版社，1982.

[9] 王珂，劉紹平，段辛斌，等. 崔家營航電樞紐工程魚道過魚效果[J]. 農業工程學報，2013，29(3)：184－189.

Wang Ke, Liu Shaoping, Duan Xinbin, et al. Fishway effect of Cuijiaying navigation-power junction project[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(3): 184－189. (in Chinese with English abstract)

[10] Dvwk F. Fish passes: Design, dimensions and monitoring[J]. Fish Passes Design Dimensions & Monitoring, 2002.

[11] 曹慶磊，楊文俊，周良景. 國內外過魚設施研究綜述[J].長江科學院院報，2010，27(5)：39－43.

Cao Qinglei, Yang Wenjun, Zhou Liangjing. Review on study of fishery facilities at home and abroad[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2010, 27(5): 39－43. (in Chinese with English abstract)

[12] Rajaratnam N, Vinne G V, Katopodis C. Hydraulics of vertical slot fishways[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1986, 112(10): 909－927.

[13] Rajaratnam N, Katopadis C, Paccagnan R. Field studies of fishways in Albeta[J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 1992, 19(4): 627－638.

[14] Liu M, Rajaratnam N, Zhu D Z. Mean flow and turbulence structure in vertical slot fishway[J]. Journal of Hydraulics Engineering, 2006, 132(8): 765－777.

[15] Wu S, Rajaratnam N, Katopodis C. Structure of flow in vertical slot fishway[J]. Journal of Hydraulics Engineering, 1999, 125(4): 351－360.

[16] 董志勇，馮玉平，Ervine A. 同側豎縫式魚道水力特性及放魚試驗研究[J]. 水力發電學報，2008，27(6)：121－125.

Dong Zhiyong, Feng Yuping, Ervine A. An experimental study of hydraulic characteristic and fish test in vertical slot fishway to one side[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2008, 27(6): 121－125. (in Chinese with English abstract)

[17] 董志勇，馮玉平，Ervine A. 異側豎縫式魚道水力特性及放魚試驗研究[J]. 水力發電學報，2008，27(6)：126－130.

Dong Zhiyong, Feng Yuping, Ervine A. An experimental study of hydraulic characteristic and fish test in vertical slot fishway from side to side[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2008, 27(6): 126－130. (in Chinese with English abstract)

[18] 徐體兵，孫雙科. 豎縫式魚道水流結構的數值模擬[J]. 水利學報，2009，40(11)：1386－1391.

Xu Tibing, Sun Shuangke. Numerical simulation of the flow structure in the vertical slot fishway[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2009, 40(11): 1386－1391. (in Chinese with English abstract)

[19] 張國強，孫雙科. 豎縫寬度對豎縫式魚道水流結構的影響[J]. 水力發電學報，2012，31(1)：151－156.

Zhang Guoqiang, Sun Shuangke. Effect of slot width on the flow structure of vertical slot fishway[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2012, 31(1): 151－156. (in Chinese with English abstract)

[20] 邊永歡，孫雙科. 豎縫式魚道的水力特性研究[J]. 水利學報，2013，44(12)：1462－1467.

Bian Yonghuan, Sun Shuangke. Study on hydraulic characteristic of flow in the vertical slot fishway[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2013, 44(12): 1462－1467. (in Chinese with English abstract)

[21] Yagci O. Hydraulic aspects of pool-weir fishways as ecologically friendly water structure[J]. Ecological Engineering, 2009, 36(1): 36－46.

[22] Ead S A, Katopodis C, Sikora G J, et al. Flow regimes and structure in pool and weir fishways[J]. Journal of Environmental Engineering and Science, 2004, 3(5): 379－390.

[23] 孫雙科，張國強. 環境友好的近自然型魚道[J]. 中國水利水電科學研究院學報，2012，10(1)：41－47.

Sun Shuangke, Zhang Guoqiang. Environment-friendly fishway in close-to-nature types[J]. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2012, 10(1): 41－47. (in Chinese with English abstract)

[24] 劉洪波. 魚道建設現狀、問題與前景[J]. 水利科技與經濟，2009，15(6)：477－479.

Liu Hongbo. Current situation and questions and prospect of fishways construction[J]. Water Conservancy Science and Technology and Economy, 2009, 15(6): 477－479. (in Chinese with English abstract)

[25] 祁昌軍，曹曉紅，溫靜雅，等. 我國魚道建設的實踐與問題研究[J]. 環境保護，2017，45(6)：47－51.

Qi Changjun, Cao Xiaohong, Wen Jingya,et al. The practice and problems of the fishway construction in China[J]. Environmental Protection, 2017, 45(6): 47－51. (in Chinese with English abstract)

[26] 呂巍，王曉剛. 淺議我國魚道運行管理存在的問題及對策：以洣水洋塘魚道為例[J]. 水生態學雜志，2013，34(4)：7－9.

Lü Wei, Wang Xiaogang. Problems and countermeasures in operation management of fishways in China-taking Yangtze fishway as an example[J]. Journal of Hydroecology, 2013, 34(4): 7－9. (in Chinese with English abstract)

[27] 郭堅，芮建良. 以洋塘水閘魚道為例淺議我國魚道的有關問題[J]. 水力發電，2010，36(4)：8－10.

Guo Jian, Rui Jianliang. Question and suggestion on fishway construction in China: Lesson learned from the operation of Yangtang lock fishway[J]. Water Power, 2010, 36(4): 8－10. (in Chinese with English abstract)

[28] 水利水電工程魚道設計導則：SL609-2013 [S]. 北京：中國水利水電出版社，2013.

[29] 肖苡辀，王文娥，胡笑濤. 基于FLOW-3D的田間便攜式短喉槽水力性能數值模擬[J]. 農業工程學報，2016，32(3)：55－61.

Xiao Yizhou, Wang Wen’e, Hu Xiaotao. Numerical simulation of hydraulic performance for portable short-throat flume in field based on FLOW-3D[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 164－170. (in Chinese with English abstract)

[30] 呂宏興，裴國霞，楊玲霞. 水力學[M]. 北京：中國農業出版社，2002.

[31] 王福軍. 計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用[M]. 北京：清華大學出版社，2004.

[32] Moriasi D N, Arnold J G, Liew M W V, et al. Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations[J]. Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Engineers (Transactions of the ASABE), 2007, 50(3): 885－900.

Experimental study and numerical simulation of hydraulic characteristics of Tai Chi fishway

Qie Zhihong, Guo Liyun, Wu Xinmiao, Ran Yanli

(071001,)

Once the fishway is completed in the traditional style and the flow condition is basically fixed. It will be hard for a variety of fish to go through it at the same time. To solve the problem, in this paper, we developed a Tai Chi fish-way, which can form a rich flow regime and adapt to the migration of many fishes. Based on the ancient Taoist philosophy of “Tai Chi Eight Diagrams”, Tai Chi fishway created a flow changing environment when the eight diagrams rolled, which can offset the general fishway’s shortcoming, “once built, water conditions were basically fixed”. The pool room of the Tai Chi fishway was arc-shaped, which was connected by a reverse arc smoothly. Through the diffusion and aggregation of water, it can help the water flow more smoothly, and reduce the adverse effects of turbulence, vortex and so on. The wall of the pool room was provided with external eight diagrams (groyne type clapboards), which offered resistance to the water flow and helped change its direction when flowing through. The migratory fishes may rest below the external eight diagrams. Tai Chi disk was also set in the pool room and the S shaped channel on the disk had the function of dispersing water flow and dissipating energy. The Tai Chi disk and internal eight diagrams partition can rotate in certain cycles which were combined into different operating conditions at different times to create conditions for the polymorphism of the stream. For Tai Chi fishway had its unique pool room structure, the physical model test alone was difficult to capture the flow structure in detail, and it was time-consuming, too. We used a method combined with the physical model test and numerical simulation to study the flow characteristics of Tai Chi fishway in different conditions. Physical model test was used to study the variation of water level along the course and the basic flow pattern of water flow, and the CFD numerical simulation method was applied to determine the distribution of the surface and internal flow fields which were difficult to be measured by the physical model. Then the water level and flow pattern were compared and verified with each other after being obtained via the two methods. In accordance with the relevant norms of fishway designs and gravity similarity criteria, the fishway physical test models were made. Before the installation of the Tai Chi disc and external and internal eight diagrams, a water test and a measurement of the water depth along the center line were conducted. After the installation of Tai Chi disc, the test was divided into two groups to measure the water depth along the center line. The S shaped channel was approximately parallel and vertical to the flow. In each case, Tai Chi disk placement angle was consistent. The above three situations were simulated by numerical calculation. The results showed that they had a same trend. The maximum error was 13.6%, within the allowable range of 15%. Therefore, the calculation model was reliable and can be used to simulate the complex flow field of the pool room. Therefore, the surface velocity, bottom velocity and critical cross section velocity were further analyzed. The results showed that the Tai Chi fishway had significant energy dissipation reduction effect. The shallowest water depth was about twice of that of the corresponding shallowest water depth without the Taichi disk. Average maximum velocity of cross section decreased by about 50%, the flow presented polymorphism, Tai Chi disk’s different positions also made flow change, which can provide more suitable conditions for migratory fish.

flow velocity; models; hydrodynamics; Tai Chi; fishway; mathematical simulation; flow condition

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.025

TV131

A

1002-6819(2018)-02-0182-07

2017-09-03

2017-11-12

河北省水利科研推廣計劃（2016-63）；河北農業大學青年學術帶頭人基金（2016）

郄志紅，男，河北徐水人，教授，博士生導師，研究方向為水工結構優化及管理。Email：qiezhihong@163.com

郄志紅，郭麗云,吳鑫淼，冉彥立. 太極式魚道水力特性試驗研究及數值模擬[J]. 農業工程學報，2018，34(2)：182－188. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.025 http://www.tcsae.org

Qie Zhihong, Guo Liyun, Wu Xinmiao, Ran Yanli. Experimental study and numerical simulation of hydraulic characteristics of Tai Chi fishway[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 182－188. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.025 http://www.tcsae.org