竖缝-孔口组合鱼道流态和操作能力分析

竖缝-孔口组合鱼道流态和操作能力分析

1.单独导竖式鱼道的设计我国对鱼道的研究较晚，发展缓慢。许多鱼道在设计、施工、运营和管理方面存在许多问题。从资料分析来看,国内的鱼道大部分运行不理想,由于多种原因,鱼类不愿进入鱼道,鱼道已经废弃,优化鱼道被提上了日程。国内外有一些成功的优化案例,例如,PeakeS等人研究了单侧导竖式鱼道的优化设计问题,主要通过优化鱼道休息区尺寸和适合鱼类游泳能力的流速的目标函数,得出了最优设计变量竖缝尺寸的数值解。1990年改建了绥芬河渠道拦河坝鱼道,鱼道隔板类型改用竖缝与底孔相结合的形式;2000年改建的巢湖闸鱼道,将原来的池堰式鱼道改造成垂直竖缝式与底孔组合式鱼道。以上鱼道经改造后运行的都比较成功。2.孔口-孔口的组合董志勇等人研究表明:对于同侧竖缝式鱼道,其水池内射流、旋涡的作用较强而不利于鱼类上溯;而在异侧竖缝式鱼道中,鱼类很容易在水池中迷失方向。所以,有必要对竖缝式鱼道的结构进行优化提出了一种最优的新结构。组合式鱼道隔板的过鱼孔,一般为溢流堰、潜孔及竖缝的组合,此型隔板能较好地发挥各种型式孔口的水力特性,也能灵活地控制所需要的池室流态和流速分布,为现代鱼道的设计中所常用。国外常用的组合方式是潜孔和堰的组合,如美国著名的邦维尔、麦克纳里、北汊、冰港等坝的鱼道。国内组合式隔板鱼道,有堰和坚缝组合的江苏太平闸鱼道,孔口和竖缝组合的浏河鱼道,孔口和堰组合的湖南洋塘鱼道等。在西藏某水电站鱼道优化方案中,采用竖缝-孔口组合式鱼道,如表1所示。孔口采用淹没孔口式,是将隔板的过鱼孔全部淹没在水下,孔口流态是淹没孔流,鱼道的大部分水量从孔中通过,水流主要靠孔后扩散来消能。最适应喜在底层洄游的中、大型鱼类,藏木水电站河段的典型鱼类巨须裂腹鱼和拉萨裂腹鱼都是底中层水性。另外,淹没孔口式隔板适应上下游水位变动性能较好。此型隔板结构简单,便于维修。3.纳米多孔介质的流体密度在FLOW-3D软件的基础上,数值仿真采用纳维-斯托克斯方程组描述,选用RNG湍流模型,对竖缝-孔口组合式鱼道池室内的水流进行三维数值模拟分析研究。(1)质量连续方程:式中,VF为自由表面流体的体积分数;uf072为流体密度;R为湍流扩散项,与质量有关;(u,v,w)分别对应x、y、z方向的流体速度;(Ax,Ay,Az)分别对应x、y、z方向的微元面积。式中,VF为自由表面流体的体积分数;uf072为流体密度;R为湍流扩散项,与质量有关;(u,v,w)分别对应x、y、z方向的流体速度;(Ax,Ay,Az)分别对应x、y、z方向的微元面积;uf06d是动能消散系数;Cp为一个常数,即紊流施密特数。(2)纳维-斯托克斯方程组:式中,(Gx,Gy,Gz)为X、Y、Z三个方向的加速度,(fx,fy,fz)为X、Y、Z三个方向的粘性加速度,(bx,by,bz)为在多孔介质中X、Y、Z三个方向的流动损失,最后一项是解释注入的大量的代表一个几何组件的来源。(3)流体体积方程:式中,CF为一个常数,为紊流施密特数的倒数;FSOR为流体体积分数改变率。(4)流体能量方程:式中,I为宏观混合内能。4.优化方案的模拟结果和分析4.1面体网格单元在竖缝-孔口组合式鱼道数学模型中,计算区域选取鱼道直段的一部分,含10级过鱼池和1级休息池,间隔10级过鱼池设有1级休息池。模拟分析选取一个休息池和一个过鱼池。为了大量减少网格数量,用有限差分法控制体积,采用六面体网格,总网格单元数为1,350,720个,网格单元x、y、z尺寸比例为x:y=x:z=y:z=1,网格单元平均长、宽、高均为6cm。本文按从上游到下游的顺序,如表1所示,以水流方向为X轴正向,鱼道宽度方向为Y轴,面向水流方向,以右侧为Y轴正向,竖直向上为Z轴正向,坐标原点如表2所示。4.2最大流速发生在孔口和竖缝两个环节,池室的水流主要从孔口的流取截面z=1.20m时进行分析,是截取竖缝和孔口的截面。如表2中流线图所示,水流由上游隔板竖缝处和孔口流入,上游隔板孔口水流主流沿侧墙边壁近似直线流向下游竖缝处;而上游隔板竖缝处的水流沿着侧墙边偏转后分为两股,一部分在池室内形成漩涡,另一部流向下一个孔口。如表2中等值线图所示,各池室的流速分布存在差异,池室内主流流速较大,最大流速区域位置也基本一致,孔口的流速普遍大于竖缝处的流速,这是因为竖缝的截面宽度是0.30m,而孔口的截面宽度是0.50m;池室内在竖缝和孔口之间中间区域流速较小,各池室中在主流区的两侧也有明显回流。表3中过鱼池,是该过鱼池为整个模型中的第五级,孔口的水流分成两股,一股和竖缝水流掺混,流向下一个孔口;另一小股流向下一个竖缝处。而在过鱼池中间形成两个大漩涡,顺时针方向流向下一个孔口。池室内的最大流速发生在孔口处,最大流速为0.80m/s。两个主流的两侧形成三个回流区,流速较小,在-0.20~0.20m/s范围内。如表3中休息池所示,该休息池水流从上游隔板竖缝处和孔口流入,孔口处的水流分成两股,一股直接流向下一个竖缝,另一竖缝处的水流掺混,流向下一个孔口。在池室的中间开成两个小的漩涡,在右侧的侧墙边壁开成一个小漩涡。休息池的水流的最大流速发生在孔口处,最大流速为0.80m/s。而竖缝处的流速在0.50m/s左右。休息池的大部分流速0.40m/s以下,能为鱼类的休息创造良好的条件。取截面z=2m时进行分析,大约是鱼道设计水深靠近表层的位置。如表2中流线图所示,水流由上游隔板竖缝处流入,沿着竖缝侧的墙壁,由下游隔板竖缝处流出,竖缝式鱼道的整体主流轨迹呈“S”形曲线,在单一池室中呈现“L”。而在靠近下一个竖缝的同方向形成一个漩涡。如表2中等值线图所示,池室的流速分布比较相似,池室内主流流速较大,最大流速区域位置也基本一致,均在竖缝处和靠近竖缝的侧墙边壁;各池室中也有明显回流。如表3中过鱼池所示,水流从上游隔板竖缝处流入,主流顺着左侧墙壁沿着下一个隔板边壁流向下一个竖缝处,而在过鱼池中间形成两个大小不一的漩涡。上游隔板水流的最大流速发生在竖缝处,最大流速为0.50m/s。过鱼池在中间位置和右侧靠墙边壁有回流区,大小在-0.20~0.05m/s范围内。下游隔板竖缝处的最大流速发生在与下一个过鱼池交接处,最大流速为0.50m/s,最大流速的区域较小。如表3中休息池所示,该休息池主流顺着右侧墙壁流向下一个竖缝处,而在休息池靠近竖缝处形成一个小漩涡。休息池的水流的最大流速发生在竖缝处,最大流速为0.50m/s。休息池中的最大流速在0.30m/s,休息池内水流流速绝大部分为在-0.20~0.30m/s左右,符合设计内部流速0.40m/s以下。4.3阶梯时池内紊动能的变化取Z=1.2m,如表4所示,过鱼池的紊动能在竖缝处达到了最大值0.0040m2/s2,孔口处的紊动能普遍偏小,大约在0.0020m2/s2,而紊动能沿着主流方向有逐渐减小的趋势。回流区的紊动能比较小,在接近下一个竖缝时,紊动能逐渐变大。休息池的紊动能在竖缝处达到最大值0.0030m2/s2,而孔口处的紊动能在0.0014m2/s2.。回流区紊动能大部分在0.0002m2/s2左右,休息池中的紊动能主要发生在孔口侧的边壁附近,虽然区域较大,但其值较小,对上溯鱼类的影响较小。取Z=2m,如表4所示,过鱼池的紊动能在竖缝处达到了最大值0.0025m2/s2,池室内的紊动能普遍偏小,大约在0.0005m2/s2,而紊动能沿着主流方向有逐渐减小的趋势。回流区的紊动能比较小,在接近下一个竖缝时,紊动能逐渐变大。休息池的紊动能在竖缝处达到最大值0.0010m2/s2.,主要发生在竖缝处附近,区域非常小,对上溯鱼类几乎没有影响,给鱼类提供了更好的休息空间。5.流速和紊动能优化后的鱼道相比竖缝式鱼道模型,鱼道内的平均流速降低了30%以上,水流也更为平缓。鱼道沿垂向水流分层明显