异侧竖缝式鱼道水力特性的数值模拟_李洋.pdf
《异侧竖缝式鱼道水力特性的数值模拟_李洋.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《异侧竖缝式鱼道水力特性的数值模拟_李洋.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 卷第期 年月水电能源科学 :异侧竖缝式鱼道水力特性的数值模拟李洋,韩雷,田振华,狄高健,李树航,叶昆河(黑龙江省水利科学研究院,黑龙江 哈尔滨 ;黑龙江大学水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 )摘要:竖缝式鱼道因其能够适应不同水位变化、消能效果明显、水流流态稳定等特点而逐渐引起水利工程界的重视。通过数值模拟的方法探究了池室长宽比对异侧式竖缝鱼道水力特性的影响,结果表明,池室长宽比的变化对单位体积耗散率影响较小;主流区沿程衰减率先随池室长宽比的增大而增大,后保持不变。池室长宽比越大,池室内最大流速越靠近竖缝处;不同池室长宽比,池室主流流速与池室最大流速(主流流速沿程变化最大值)比值在一定范围内。池
2、室长宽比在 之间,可在鱼道主流区内获得较好的水流流态、较大的回流区及较好的消能效果,有利于研究区内鱼类的洄游。关键词:池室长宽比;异侧式;竖缝鱼道;水力特性中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:,修回日期:基金项目:黑龙江省自然科学基金联合引导项目()作者简介:李洋(),男,工程师,研究方向为水力学及河流动力学,:1引言在水利工程建设过程中,由于人为截断水流,迫使具有洄游习性的鱼类无法洄游繁衍,导致鱼类减少甚至灭绝,因而建立一些过鱼工程帮助鱼类洄游繁衍十分必要。过鱼设施包括鱼闸、升鱼机、集运渔船和鱼道,目前应用最广的过鱼工程是鱼道,按照形式可分为槽式鱼道、池室鱼道和特殊形态的鱼道,池
3、室鱼道主要包括溢流堰式、竖缝式、底孔式,其中竖缝式鱼道能够适用于不同的水位变化,具有流速、紊动能变化较小的特点,适用于大多数鱼类洄游,。目前,关于竖缝式鱼道的研究成果较丰富,但多为同侧竖缝式鱼道,而关于异侧竖缝式鱼道在整体结构设计和细节优化上的研究较少,关于实际鱼道工程运用的研究更少。现有关于异侧竖缝式鱼道的研究,在进行模型试验时,并未考虑具体区域鱼类的极限流速,从而针对具体鱼类提出适宜的参数范围。鉴此,本文充分考虑具体区域的鱼类极限流速,通过数值模拟的方法研究池室长宽比对异侧竖缝式鱼道水流结构的影响,定量分析主流流速沿程轨迹线、主流流速沿程衰减规律、竖缝附近最大流速、回流区分布规律,给出适合
4、研究区域内的四大家鱼上溯的池室长宽比,并与已有研究结果进行优劣比较,以期为鱼道设计提供参考依据。2鱼道结构国内某水利工程设计鱼道总长为 ,坡比:,为便于计算分析,以其中 长的鱼道为例进行分析研究。考虑到工程所在区域的 鱼 类 以 四 大 家 鱼 为 主,感 应 流 速 为 ,极限流速为 ,因而设计流速采用 。由文献 可知,当竖缝宽度与池室宽度之比为 之间时,鱼道池室内可获得较为理想的水流流态,竖缝宽度 ,池室宽度 ,。长隔板长 ,横向导板长 ,竖缝相对位置(竖缝中心与较近一侧池室边壁距离与池室宽度的比值)为 。隔板和导板厚均为 。以池室长度为研究变量,其变化范围在 之间,每增加 为新的池室长度
5、,共选取 种不同池室长度进行研究,对应的池室长宽比范围为 ,具体尺寸见图。3数学模型建立3.1网格剖分及边界条件采用 边 长 为 的 规 则 六 面 体 划 分 网图鱼道尺寸布置(单位:)格,其中节点 个,网格 个。具体剖分情况见图。图鱼道网格剖分 进口 采 用 流 量 为 边 界 条 件,流 量 为 ;出口采用水深为边界条件且设置为压力出口,水深为 ;边墙及底部设置为无滑移固壁边界。追踪自由液体表面采用 方法,通过计算水和气的体积分数来表征物体的形态,其控制方程为:()()式中,为水的体积分数;为气体的体积分数;为时间;为方向流速;为方向的坐标。3.2基本控制方程鱼道采用专业软件 标准模型并
6、耦合 模块对水流自由表面进行捕捉,;其中三维水流模型的控制方程如下。连续方程为:()动量方程为:()()紊流模型方程为:()()()()()()()()紊动能为:()()紊动黏性系数为:()式中,为水的密度;、均为流速分量;、均为坐标分量;为压力;、分别为分子黏性系数和紊动黏性系数;为重力加速度在方向的分量;为紊动能;为紊动能耗散率;为平均速度梯度引起的紊动能产生项;、均为模型参数,分别取为 、。迭代计算的各项残差值均为,时间步长设置 。3.3模型验证为验证数学模型参数设置的合理性和网格剖分的正确性,以有机玻璃为材料,制作 组比尺为:的隔板物理模型。其糙率为 (对应原型糙率为 ),与实际混凝土
7、工程糙率略有不同。考虑到鱼道中竖缝附近流速最大,水头损失较大,池室边壁影响较小,可忽略糙率不同带来的影响。以第、个隔板之间的池室左下角为原点,选取沿着水流方向距离原点 处为测量断面,在断面上等距离选取 个点(测量流速位置对应原型水面以下 处)测量流速(流速通过无线旋浆流速仪测定),具体测点布置见图,对比物理模型实际测量结果与数值模拟结果可知,选 取 断 面 个 测 量 点 流 速 拟 合 误 差 在 范围内,说明数值模拟参数设置正确,网格剖分合理。在此基础上,对 种长宽比的鱼道进行数值模拟计算,为简洁起见,本文只水电能源科学 年第 卷第期李洋等:异侧竖缝式鱼道水力特性的数值模拟图测点分布(单位
8、:)选取具有代表性的模拟结果进行分析说明。4池室水力特性分析4.1池室流态分析竖缝式鱼道池室内存在两种流态,即由于竖缝射流而出现的位于池室中间位置的主流区流态和主流区两侧的回流区流态,两侧回流区流速方向与主流区流速方向相反,主流区是鱼类在上溯过程中的主要通道,因而主流弯曲程度对鱼类的洄游影响较大。根据计算结果(图),当 时(为池室长,为池室宽),相邻池室主流区流态衔接处弯曲程度较大,曲率半径较小,扭曲明显,在隔板竖缝处的主流方向变化剧烈,单个池室主流区流态呈一斜线型,相邻池室流区流态呈现型。主要是因为池室长宽比较小时,竖缝射流并未在池室中充分消散便迅速进入下一竖缝。当 时,单个池室主流区流态呈
9、半抛物线型,相邻池室呈现 型,池室长宽比()越大,型越明显,这与文献 的结论一致;图不同池室长宽比下流速分布图 当 时,主流区出现贴壁流现象,鱼类在上溯过程中会受伤,因而在设计时池室长宽比宜小于 。从相邻池室主流区衔接处弯曲程度及避免出现贴壁流现象,在设计过程中,池室长宽比宜在 之间。4.2池室最大流速分布与流速沿程衰减规律池室最大流速是决定过鱼效果的关键参数之一,通常出现在竖缝附近(图),其不能超过鱼类的极限流速,具体位置和大小取决于池室结构设计。池室的最大流速也影响鱼道消能效果,消能效果通常以单位水体消能率作为衡量指标:()()式中,为水密度,取为 ;为竖缝宽度,取为 ;?为各池室最大流速
10、平均值;为池室宽度,取为 ;为池室长度,根据池室长宽比确定;为隔板厚度,取为 ;为流速系数,取为 。图为不同池室长宽比最大流速与单位水体消能率变化规律。由图()可知,池室最大流速随着池室长宽比的增大而增大,当 时,流速增长较快,池室长宽比每增大 ,最大流速增加 ;当 时,流速增长较慢,池室长宽比每增大 ,最大流速仅增加 。由图()可知,单位水体消能率随着池室长宽比的增大先增后减,在池室长宽比 时,单位水体消能率最大。主要是因为当 时,虽然池室长度逐渐增大,但池室最大流速增加更快;当 时,池室长度逐渐增大,但主流区水体与池室边壁接触,出现了贴壁流现象,消能效果较好,因而池室最大流速增加较慢,单位
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 异侧竖缝式 鱼道 水力 特性 数值 模拟 李洋
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。