竖缝式鱼道水力特性的研究进展

竖缝式鱼道水力特性的研究进展

1竖缝式鱼道在水力学上的发展垂直仪表路是结构简单、动作效率高的鱼道配置形式。现在它在国际非常流行。加拿大、美国和日本等新兴的渔道技术先进国家正在使用垂直仪表路。近年来，上庄鱼道、老龙口鱼道和常州鱼道也采用了这一布局模式。对于竖缝式鱼道的水力特性与设计方法,国外学者进行了较多的研究。加拿大阿尔伯特大学的Rajaratnam与S.Wu等对竖缝式鱼道的流场结构进行了试验研究,发现当鱼道各级水池的长宽比为L/B=10∶8时可以获得较稳定的流态;法国的Larinier研究了竖缝式鱼道的消能效率,认为各级水池内的单位体积消能率宜小于200W/m3;Barton、Fujihara、Stephan等则先后对竖缝式鱼道的水力特性进行了数值模拟计算。从目前国内外已有的研究成果看,仍缺乏对竖缝式鱼道细部结构的系统研究。实际上,从水力学角度看,除了长宽比之外,导板长度、隔板墩头体型、竖缝断面的导向角度等都是影响竖缝式鱼道水力特性的重要参数。本文对竖缝式鱼道的水力特性进行了系统的数值模拟计算研究,定量分析了鱼道水池的长宽比及隔板墩头体型对竖缝式鱼道水流结构的影响,并给出了长宽比合理取值范围。2数值模型和验证2.1计算模型及计算条件已有研究表明,竖缝式鱼道的水流结构具有典型的二元特性,垂直方向上的流速非常小,可以忽略不计,因此本研究选取二维模型进行计算。数值模拟采用Fluent(6.3.26)流体计算软件与RNGk-ε湍流模型,其主要控制方程如下。连续方程:∂ui∂xi=0(1)∂ui∂xi=0(1)动量方程:∂ui∂t+uj∂ui∂xj=−1ρ∂p∂xi+∂∂xj(v∂ui∂xj−uiuk¯¯¯¯¯¯)(2)∂ui∂t+uj∂ui∂xj=-1ρ∂p∂xi+∂∂xj(v∂ui∂xj-uiuk¯)(2)k-ε方程:∂k∂t+uj∂k∂xj=∂∂xj(αkv∂k∂xj)+2vtSijSij−ε(3)∂ε∂t+uj∂ε∂xj=∂∂xj(αεv∂ε∂xj)−R+2c1εkvtSijSij−c2ε2k(4)∂k∂t+uj∂k∂xj=∂∂xj(αkv∂k∂xj)+2vtSijSij-ε(3)∂ε∂t+uj∂ε∂xj=∂∂xj(αεv∂ε∂xj)-R+2c1εkvtSijSij-c2ε2k(4)式中:ui为时均速度;p为时均压强;k为湍动能;ε为湍动能耗散率;ρ为水的密度;v为分子黏性系数;vt为涡黏性系数,vt=Cu(k2/ε);uiuj¯¯¯¯¯¯=2kδij/3−vt(∂ui/∂xj+∂uj/∂xi),δijuiuj¯=2kδij/3-vt(∂ui/∂xj+∂uj/∂xi),δij为Kronecker函数;Cu=0.0845,c1=1.42,c2=1.68,αk=αε=1.39。Sij=∂ui∂uj+∂uj∂uiSij=∂ui∂uj+∂uj∂ui;R=2vSij∂u′i∂u′i¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯∂xj∂xi=Cuη3(1−η/η0)1+βη3ε3k,u′iR=2vSij∂u′i∂u′i¯∂xj∂xi=Cuη3(1-η/η0)1+βη3ε3k,u′i为脉动速度,η为湍流时间尺度与平均流时间尺度之比,η=Sk/ε,S为应变率张量范数,S=(2SijSij)1/2,η0为η在均匀剪切流中典型值η0=4.38,β=0.012。计算区域和边界条件:在计算过程中,为了尽量减小进出口边界对池内流场的影响,模拟计算了5级水池,参见图1。进口断面距第一级水池2.0m,边界条件采用均匀流速分布,流速量值为0.125m/s;出口设置在第5级水池竖缝出口,选用自由出流;其它为固壁边界,初始流场静止。网格划分:在水池内及竖缝处采用四边形网格,竖缝处网格加密;在竖缝两侧,即导板与隔板间采用三角形网格。计算方法:为了防止迭代过程数值的发散和不稳定,对动量方程、标量输运方程采用了欠松弛技术,压力与速度耦合采用SIMPLE算法;时间步长取0.001s。2.2计算结果和模型试验结果试验水槽长15m、宽1.0m、高1.6m,其透明段长度为9m,为保证上游来流的稳定性,水槽安装在长度与宽度分别为4m、5m的钢制水箱上。试验中模拟了6级水池的竖缝式鱼道,其流量通过三角形量水堰测量;水流流态采用目测并配合使用染色示踪剂进行定性观测;竖缝与水池内的水流流速采用P-EMS型二维电磁流速仪测量。计算结果与试验结果的对比分析表明,两者的流场形态基本一致;从流速量值看,两者也基本相当,见图2。这表明本研究采用的RNGk-ε湍流模型与计算方法是适当的。3主流流速场对比首先研究了不同长宽比情况下竖缝式鱼道内的水流结构。在保持竖缝宽度(b0/B=0.125)、导向角度(θ=45°)、导板长度(P/B=0.25)和墩头尺寸(a=0)及隔板长度诸因素不变的前提下,模拟计算了长宽比L/B=6∶8、7∶8、8∶8、9∶8、10∶8、10.5∶8、11∶8、12∶8、13∶8、14∶8、15∶8共11种情况下水池内的流场。计算表明,主流从竖缝流出后,在导板作用下,偏向水池中央,当接近下一道竖缝时,受到导板的作用,又折向竖缝;在主流两侧各存在一个回流区,左侧回流为逆时针方向,右侧回流为顺时针方向。但在不同长宽比情况下,主流的弯曲程度、左右两侧回流区的强度有明显不同:当L/B≤8∶8时,主流区偏向右侧,主流左侧回流区尺度明显大于右侧回流区,水池内动能未能充分利用整个水体消能,主流距离右侧边墙较近,显然此种流态不是适宜鱼类上溯的较好流态。其典型流场见图3(a)。当8∶8<L/B<11∶8时,主流较前者弯曲程度有明显增大,位置基本居中,两个回流区均比较发达,回流区的尺度也属同一量级,显然此种流态有利于促进水池内的能量耗散,回流区的存在也可以为上溯鱼类提供休憩场所。其典型流场见图3(b)。当11∶8≤L/B<12∶8时,主流从竖缝流出后,水流流态发生了明显改变,主流并未立即弯曲而折向下一道竖缝,而是有顶冲对面边墙的趋势,但由于水池长度不足够长,水流受到隔板的阻隔挡后,偏向下一道竖缝。由于主流右侧回流区明显增大,使左侧回流区受到挤压,其典型流场见图3(c)。当L/B≥12∶8时,随着长宽比的进一步增大,主流从竖缝流出后,顶冲到对面边墙上,之后沿边墙行进一段距离,至接近下一隔板时,才偏向竖缝,再从竖缝流向下一级水池;此时主流两侧回流区的尺度极不对称,右侧回流区十分发达,占据了水池的大部分区域,而左侧回流区因受主流挤压而局限在隔板角隅处,其典型流场见图3(d)。此模拟结果与Laurent的试验结果也是一致的,其试验中采用的长宽比L/B=12∶8和L/B=14∶8。由图4(a)给出的主流区最大流速轨迹线可见:当L/B≤8∶8时,弯曲度很小,如当L/B=6∶8和7∶8时,轨迹线近似一条直线;当8∶8<L/B<11∶8时,最大流速轨迹线弯曲度有一定增加,主流基本上接近于水池溢流中心线;但当L/B进一步增大到11∶8时,最大流速轨迹线变得更加弯曲,主流轨迹线明显越过溢流中心线,进入水池左侧;当L/B更大,达到13∶8时,最大流速轨迹线进一步弯曲,离对面边墙的距离更近。对应于主流轨迹线的变化,图4(b)给出了主流区沿程流速变化规律(U为轨迹线上对应流速,Umax为轨迹线上最大流速):当L/B≤8∶8时,水池前半区内主流流速的下降得很小;当8∶8<L/B<11∶8时,水池前半区内主流流速的下降幅度有所增大;当L/B增大到11∶8时,因最大流速轨迹线变得更加弯曲,主流流线延长,水池前半区内主流流速降幅明显增大;当L/B更大,达到13∶8时,主流流速在水池前半区内迅速下降,之后因主流贴近边墙,流速下降明显变缓。对应于水池前半区内主流流速的下降规律,水池后半增速区在不同的长宽比情况下均表现出相同的规律,即大都在断面位置X/L≈0.75处达到最小,之后开始增速。主流区沿程流速值均比较大,但是沿最大流速轨迹线存在一个最小流速,该最小流速的量值标志着水池内主流的扩散程度与能量耗散效果。图5表明,沿主流最大流速轨迹线的最小流速值,随长宽比的增大表现出逐步减小的趋势。就具体量值而言,当长宽比较小时,主流区此最小流速相对值(U/Umax)min比较大,能达到0.74,这意味着主流区流速纵向衰减较少,主流流速的沿程变化不大。当L/B增大至10.5∶8后,随长宽比的增大,最小流速值虽有减小,但降幅已十分有限,最小流速相对值(U/Umax)min基本能维持在0.45左右。可见,当长宽比8∶8<L/B≤10.5∶8时,主流大体上居于鱼道水池中央处,流线略有弯曲,此时主流流程较短,且两侧回流发达,该种水流流态无疑是适合鱼类上溯的较佳流态。在鱼道的实际设计中,从节约工程投资角度看,在相同的水流流态前提下,长宽比大一些的设计方案无疑更为经济,可见在8∶8<L/B≤10.5∶8的范围内,本研究推荐长宽比最为合理的取值为10∶8,此时竖缝断面处的流速分布也比较均匀。目前国外大多数竖缝式鱼道均采用了上述长宽比量值。4墩头尺寸影响目前,国内外的竖缝式鱼道大多都在隔板头部设置了一定长度的墩头,但对于墩头设置与否对鱼道水流结构的影响缺乏相应的研究,且墩头几何尺寸的选定也缺乏相应依据。在保持鱼道水池长宽比(L/B=10∶8)、导向角度(θ=45°)、竖缝宽度(b0/B=0.125)和导板长度(P/B=0.25)及隔板长度诸因素不变的条件下,模拟计算了墩头尺寸a为2.0b0、1.5b0、1b0、0.8b0、及a=0(无墩头),(b0为竖缝宽度,0.25m),共5种情况下鱼道水池的水流结构,以研究墩头尺寸对鱼道水流结构的影响。根据已有工程经验,在隔板上设置墩头,改变其尺寸a时,保证隔板上游侧的坡度为1∶3,下游侧(即竖缝处)坡度为1∶1。计算结果表明,在不设墩头时,主流区横向上扩散的宽度变化比较大,特别是在接近隔板时,主流流线弯曲幅度相对较大,横向宽度拉大;而设置墩头后,主流更加集中,水流从竖缝出来以后,偏折向水池中央,在墩头的作用下,水流更集中地折向下一道竖缝,主流区在横向宽度上基本上没有变化。其流场图见图6。由图7可见,墩头长度的大小,对主流区的最大流速轨迹线的影响比较细微,且与不设墩头方案相比,轨迹线的弯曲程度仅稍有变化;主流区最大流速的沿程变化也表现出类似的特点。综上所述,对于竖缝式鱼道而言,隔板是否设置墩头对水流流态的影响主要局限在邻近竖缝的局部范围,对整个水池内的水流结构并无明显影响,改变墩头长度时,对竖缝近区内水流流态的影响也不甚明显。因此,在实际的鱼道工程中,可考虑不设墩头,这样可以使鱼道的布置体型更加简洁,有利于施工,另外也有利于避免漂浮物在鱼道内滞留等特殊问题的出现。5水池宽度比和隔空墩头设置原则通过对竖缝式鱼道水流结构的数值模拟计算,系统研究了水池内不同长宽比和隔板墩头布置体型对水池内流场结构、主流特性及回流区