豎縫-孔口組合魚道流態(tài)和操作能力分析

豎縫-孔口組合魚道流態(tài)和操作能力分析

1.單獨(dú)導(dǎo)豎式魚道的設(shè)計我國對魚道的研究較晚，發(fā)展緩慢。許多魚道在設(shè)計、施工、運(yùn)營和管理方面存在許多問題。從資料分析來看,國內(nèi)的魚道大部分運(yùn)行不理想,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,PeakeS等人研究了單側(cè)導(dǎo)豎式魚道的優(yōu)化設(shè)計問題,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;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。以上魚道經(jīng)改造后運(yùn)行的都比較成功。2.孔口-孔口的組合董志勇等人研究表明: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?？卓诓捎醚蜎]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。另外,淹沒孔口式隔板適應(yīng)上下游水位變動性能較好。此型隔板結(jié)構(gòu)簡單,便于維修。3.納米多孔介質(zhì)的流體密度在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:式中,VF為自由表面流體的體積分?jǐn)?shù);uf072為流體密度;R為湍流擴(kuò)散項,與質(zhì)量有關(guān);(u,v,w)分別對應(yīng)x、y、z方向的流體速度;(Ax,Ay,Az)分別對應(yīng)x、y、z方向的微元面積。式中,VF為自由表面流體的體積分?jǐn)?shù);uf072為流體密度;R為湍流擴(kuò)散項,與質(zhì)量有關(guān);(u,v,w)分別對應(yīng)x、y、z方向的流體速度;(Ax,Ay,Az)分別對應(yīng)x、y、z方向的微元面積;uf06d是動能消散系數(shù);Cp為一個常數(shù),即紊流施密特數(shù)。(2)納維-斯托克斯方程組:式中,(Gx,Gy,Gz)為X、Y、Z三個方向的加速度,(fx,fy,fz)為X、Y、Z三個方向的粘性加速度,(bx,by,bz)為在多孔介質(zhì)中X、Y、Z三個方向的流動損失,最后一項是解釋注入的大量的代表一個幾何組件的來源。(3)流體體積方程:式中,CF為一個常數(shù),為紊流施密特數(shù)的倒數(shù);FSOR為流體體積分?jǐn)?shù)改變率。(4)流體能量方程:式中,I為宏觀混合內(nèi)能。4.優(yōu)化方案的模擬結(jié)果和分析4.1面體網(wǎng)格單元在豎縫-孔口組合式魚道數(shù)學(xué)模型中,計算區(qū)域選取魚道直段的一部分,含10級過魚池和1級休息池,間隔10級過魚池設(shè)有1級休息池。模擬分析選取一個休息池和一個過魚池。為了大量減少網(wǎng)格數(shù)量,用有限差分法控制體積,采用六面體網(wǎng)格,總網(wǎng)格單元數(shù)為1,350,720個,網(wǎng)格單元x、y、z尺寸比例為x:y=x:z=y:z=1,網(wǎng)格單元平均長、寬、高均為6cm。本文按從上游到下游的順序,如表1所示,以水流方向為X軸正向,魚道寬度方向為Y軸,面向水流方向,以右側(cè)為Y軸正向,豎直向上為Z軸正向,坐標(biāo)原點(diǎn)如表2所示。4.2最大流速發(fā)生在孔口和豎縫兩個環(huán)節(jié),池室的水流主要從孔口的流取截面z=1.20m時進(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,這是因為豎縫的截面寬度是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,是該過魚池為整個模型中的第五級,孔口的水流分成兩股,一股和豎縫水流摻混,流向下一個孔口;另一小股流向下一個豎縫處。而在過魚池中間形成兩個大漩渦,順時針方向流向下一個孔口。池室內(nèi)的最大流速發(fā)生在孔口處,最大流速為0.80m/s。兩個主流的兩側(cè)形成三個回流區(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豎縫,另一豎縫處的水流摻混,流向下一個孔口。在池室的中間開成兩個小的漩渦,在右側(cè)的側(cè)墻邊壁開成一個小漩渦。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時進(jìn)行分析,大約是魚道設(shè)計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”。而在靠近下一個豎縫的同方向形成一個漩渦。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)墻壁沿著下一個隔板邊壁流向下一個豎縫處,而在過魚池中間形成兩個大小不一的漩渦。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)墻壁流向下一個豎縫處,而在休息池靠近豎縫處形成一個小漩渦。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)計內(nèi)部流速0.40m/s以下。4.3階梯時池內(nèi)紊動能的變化取Z=1.2m,如表4所示,過魚池的紊動能在豎縫處達(dá)到了最大值0.0040m2/s2,孔口處的紊動能普遍偏小,大約在0.0020m2/s2,而紊動能沿著主流方向有逐漸減小的趨勢?；亓鲄^(qū)的紊動能比較小,在接近下一個豎縫時,紊動能逐漸變大。休息池的紊動能在豎縫處達(dá)到最大值0.0030m2/s2,而孔口處的紊動能在0.0014m2/s2.。回流區(qū)紊動能大部分在0.0002m2/s2左右,休息池中的紊動能主要發(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,過魚池的紊動能在豎縫處達(dá)到了最大值0.0025m2/s2,池室內(nèi)的紊動能普遍偏小,大約在0.0005m2/s2,而紊動能沿著主流方向有逐漸減小的趨勢?；亓鲄^(qū)的紊動能比較小,在接近下一個豎縫時,紊動能逐漸變大。休息池的紊動能在豎縫處達(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.流速和紊動能優(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