竖缝式鱼道180°转弯段隔板布置与水力特性_柳松涛.pdf
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1、收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目(,);国家自然科学基金优秀青年基金项目();流域水循环模拟与调控国家重点实验室自主研究课题()作者简介:柳松涛(),男,湖北武汉人,硕士研究生,研究方向为生态水力学。:通信作者:谭均军(),女,湖北石首人,副教授,博士,研究方向为生态水力学。:,():竖缝式鱼道 转弯段隔板布置与水力特性柳松涛,石小涛,孙双科,李广宁,陈 里,张立胜,谭均军,杨文俊(三峡大学 湖北省鱼类过坝技术国际科技合作基地,湖北 宜昌;中国水利水电科学研究院,北京;长江科学院,武汉)摘 要:受枢纽布置与地形条件限制,很多鱼道工程都需要设置 转弯段。前人研究发现 转弯段容
2、易出现较大的回流区并影响上溯效率,为改善转弯段水流结构,目前常用的做法是沿转弯段边墙增设垂向导板。与以往研究不同,本研究提出了一种在转弯段内增设顺水流方向导鱼隔板的布置方案。采用数值模拟对转弯段水流流场进行计算研究,结果表明隔板布置可以使主流区基本居中,回流区减小,回流区长宽比增加,转弯段内形成不同流速量值的流区,是一种可供借鉴的优化布置方式。关键词:竖缝式鱼道;转弯段;数值模拟;水力学特性;水流流态中图分类号:;文献标志码:文章编号:(),(,;,;,):,:;问题的提出竖缝式鱼道因其消能充分,能适应较大水位变幅得到了广泛的运用。受枢纽布置及地形限制,鱼道往往需要布置为折返型,因此需要布置各
3、种角度的转弯段,转弯段由于水流流向有显著变化,容易发生主流贴壁、并出现较大尺寸的回流区,进而影响鱼类的上溯效率。在加拿大魁北克省黎塞留河上的垂直竖缝鱼道 第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 中,鲟鱼()在转弯段的停留持续时间较其他池室明显更长。在研究 种吸口鱼在鱼道中的上溯行为时,发现 的鱼类在第二个转弯池处上溯失败。因 转弯段对工程布置的强大适用性与其较低下的鱼类通过效率之间的矛盾,因此需要对常规的 转弯段结构进行优化设计。国外研究发现较大尺度的回流区会影响鱼类的正常上溯行为,研究了涡流对淡水鳔形鱼()的稳定性和临界游泳速度的影响,发现当涡流直径大于鱼体总长度的 时,鱼的稳定性
4、面临挑战;在研究青稞对湍流的行为相应时也发现,鱼类在较大回流区内存在迷失方向的现象。等认为鱼类上溯效率低下与转弯段中心的大漩涡有关。可见,转弯段的较大回流区不利于鱼类通过。我国学者结合国内工程具体情况,提出了在转弯段增设垂向导板,使主流居中,从而减小回流区面积方法。边永欢等采用增设多个垂向导板的方法有效减小了回流区的尺寸。等针对竖缝式鱼道开展了草鱼()和齐口裂 腹 鱼()的对照过鱼试验,发现主流居中的流态有利于鱼类通过。包莉等通过模型实验和数值模拟对转弯段形状研究中发现,矩形弯道相比于圆弧形弯道,有利于降低主流区和竖缝处流速为鱼类休息提供更多低流速区,同时“”形隔板有利于改变主流流向避免贴壁;
5、张超等对转弯段不同角度的水力特性进行一系列研究发现,当转折角 在 时,出现主流贴壁并伴有大尺寸的回流区。韩雷等对不同竖缝宽度的转弯段水力特性研究发现;当 时,水流进入池室后发生的偏转角度适中,主流基本居中(,为定导板长度,为竖缝宽度)。综上所述,在转弯段增设垂向导板的布置形式,可在一定程度上改善转弯段的流态,有利于提升鱼类通过效率。本研究在已有研究基础上,提出了在转弯段内顺水流方向增设导鱼隔板的思路,其结构在国外已有相似工程案例,如图 所示,但未见相关研究报导。本文提出结构与国外不同,隔板连续布置,结构更加简单,且针对这种布置方式,开展了数值模拟计算研究,并与以往成果进行了对比分析。数学模型的
6、建立与验证 模型的建立本研究使用 软件对三种转弯段结构进行图 隔板结构工程案例 数值模拟。采用标准 湍流模型进行湍流计算,模型追踪鱼道自由水面,结合压力速度耦合 算法进行求解计算。标准 模型控制方程如下。连续性方程为 。()动量方程为()()|。()方程为()()|。()方程为()()|。()式中:为水体密度;、分别为黏性系数和紊动涡黏性系数;为时均压强;为紊动能;为紊动能耗散率;为紊动能产生项;各项紊流常数取值为,。通过 模型捕捉鱼道自由水面变化,其中计算水和气的体积分数来表征物体的形态。模型控制方程如下:;()。()式中:为时间;、为、方向的时均速度分量;表示气体的体积分数;表示水的体积分
7、数。模型的验证验证本文数值模拟方法的可行性,采用 水电站鱼道的鱼道结构(图)和测量数据对 第 期柳松涛 等 竖缝式鱼道 转弯段隔板布置与水力特性本数学模型进行验证。该鱼道包含上游 级竖缝式鱼道及下游防自然鱼道,其中竖缝式鱼道底坡为,运行水深 ,入口流量 。鱼道长宽比为,隔板布置钩状结构,导板为矩形墩头。为此建立鱼道三维数学模型包括 级池室,底坡。模型采用六面体网格进行划分,网格尺寸设置为,竖缝处进行局部网格加密,总网格数量约为 万,网格绘制如图。模型入口设置为压力边界,模型出口设置为压力边界,入口 出口水深均设置为 。采用压力速度耦合 算法进行计算。yx1 8 00.2 0L=3.0 0W=2
8、.2 0b0=0.5 9d x=0.2 0d y=0.2 50.5 00.21.4 0:m图 阿尔托布兰卡水电站鱼道细部结构 图 局部网格示意图 等对 水电站鱼道的流场数据采用()进行了测量,单个测点测量时长持续,测量数据准确有效,可用以验证数值模拟结果的可靠性。3 L0.5 L1 0#9#8#7#6#5#4#3#2#dJ1=2%bB/2J2=0%6 b2 b3 bL z1#B图 计算模型示意图 选择第 级池室,平面(即 ),提取 与 两条测线的流速、紊动能等数据,与 实测数据进行比较。结果表明,数值模拟结果与实测数据吻合较好,流速量值相对误差,紊动能相对误差,如图 所示,由此可见采用此数值模
9、拟方法对类似竖缝式鱼道的水力学问题进行研究是可行的。00.51.01.52.0-0.500.51.5y/m实测数据 数值模拟-0.50.51.52.50.20.40.60.8x/m 2.53.0 x 方向速度V/(m s-1)1.0紊动能k/(m2s2)1.0(a)x=0.2 mx(b)y=1.5 m图 断面 ,与 处数值模拟与实测数据对比 ,转弯段结构 鱼道结构参数针对竖缝式鱼道常规池室的结构布置参数已经进行了大量的相关研究。基于前人的研究成果,拟定竖缝式鱼道常规池室的结构布置如下:单级池室长度,宽度,导板长度,竖缝宽度 ,鱼道坡度,竖缝导向角,导板与隔板的厚度均为 。隔板与导板的墩头均采用
10、圆弧形,圆弧半径为 。本文研究的 转弯段结构由 部分组成,分别为转弯段上游段,转弯段和转弯段下游段。为保证数值计算中转弯段内流场稳定,在转弯段上下游段分别设置 级常规池室,同时为加速计算收敛,入口长度延长为,出口长度延长为。计算模型结构见图。转弯段结构布置转弯段外轮廓为圆弧形,圆弧半径为 ,整体坡度 。为了探明隔板结构对转弯段的水流流态改善效果,对比 种转弯段体型,结构如图 所示,结构()是简化的转弯段结构,其中未布置挡板结构。结构()是边永欢设计转弯 长江科学院院报 年 段优化结构,该结构在转弯段外墙 和 处布置挡板,在转弯段内边墙端部设置挡板 ,挡板厚度为 ,挡板端部设置为圆形墩头。结构(
11、)为本文提出导鱼隔板布置结构,该结构采用两层隔板,由于隔板两侧压差不大,为避免过多的占用水体,取隔板厚度为,隔板端部设置为圆形墩头,圆弧半径 。在距离内边墙 处设置第一个圆弧隔板,隔板两端分别位于常规池室中线即 处,隔板弧度通过不同半径比选得出,其弧度大小有利于均匀分割两侧回流区;隔板 位于隔板 外侧 处,距离转弯段外边墙。图 种转弯段结构 计算结果与分析以往的研究表明,主流居中的流态有利于鱼类上溯,同时过大的回流区会阻碍鱼类上溯,为此本文聚焦于水流流态、主流分布,及回流区分布作为主要参考水力要素,初步讨论合适的转弯段结果,其实际过鱼效果有待实验验证。流场分布竖缝式鱼道不同水深断面二元水流结构
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