竖缝式鱼道180°转弯段隔板布置与水力特性_柳松涛.pdf

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；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=2.2 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（）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具有相似性，垂线方向流速甚小可以忽略不计，为此本文选取具有代表性的平面 （即 ）作为数据分析平面。由计算得出 种转弯段结构的流场图结果如图 所示。结构（）主流进入转弯段向外边墙流动，出现主流贴壁，转弯段中央存在较大回流区。结构（）主流通过进口处竖缝后向外边墙扩散，通过 和 挡板之间，主流方向改变向转弯段中心流动，经过挡板 引流，主流方向逐渐转向出口处，整体主流区分布在转弯段中部。结构（）主流通过竖缝后偏向隔板 与隔板 间的通道，主流基本居中。部分水流通过隔板 内侧或沿外边墙贴壁，形成三种流速量值不同的流区。三个流区中主流分别贴向边壁，但其主流内侧空间减小，避免产生过大回流区。图 种转弯段流场云图 数值计算流场表明：隔板结构可以有效的避免主流贴向转弯段外边壁，引导主流居中，分割中央大回流区，同时隔板布置丰富了转弯段内流区分布。回流区尺度较大回流区对鱼类上溯会产生不利的影响，为此减小回流区的大小，有利于鱼类快速脱离回流区完成上溯，。然而回流区的体型不规则无法准确测量其面积大小，为此选用回流区的长宽之积量化表示回流区面积，选用长宽比表示其回流区形状差异。回流区的长度计为，宽度计为，为了方便不同结构之间进行对比，将其进行无量纲处理，即 与 （表示鱼道的宽），不同结构的回流区统计数据及其分布见图 和图。相比于结构（），结构（）中回流区的数量由 个增加至 个，其中最大回流区面积由减小到，减小幅度达到。结构（）回流区的长宽比有明显的增加，最大长宽比由扩大到，增加，形成扁形回流区。对比结构（）和（），两种结构回流区数量相 第 期柳松涛 等 竖缝式鱼道 转弯段隔板布置与水力特性1.5 90.1 40.0 40.5 30.2 30.20.1 70.10.5 50.1 90.3 512312345123常规转弯段竖向隔板转弯段弧形隔板转弯段0.00.51.01.5回流区面积(C/BK/B)回流区统计1.3 21.6 41.8 41.62.81.2 91.7 91.61.9 61.5 23.5 312312345123常规转弯段竖向隔板转弯段弧形隔板转弯段0.00.51.01.52.02.53.03.54.0回流区长宽比(C/K)回流区统计2.0(a)(b)图 回流区影响区域（）与长宽比（）统计 （）（）(a)常规转弯段(b)(c)图 种转弯段回流区分布 同，且结构（）中回流区面积大小差异较小。相比于结构（），结构（）中最大回流区面积减小至，减小幅度达。增设隔板后回流区的长宽比 也 有 明 显 的 增 加，最 大 长 宽 比 增 幅 达 到。统计回流区数据结果表明：隔板结构可以有效的减小转弯段中央存在的较大回流区，并形成更加扁长的回流区，可能有利于鱼类快速通过。且回流区数量有所减小，有助于减小鱼类被困的风险。主流区流速分布分析主流区流速和沿程分布，有利于探究转弯段优化结构对主流区的影响。在 断面上以转弯段中心线与纵截面 的交点为 轴原点，以入口到出口方向为正方向，分别截取纵截面用以提取主流区数据。由转弯段圆弧中心开始沿逆时针方向隔 截取纵截面，分别计为纵截面 截面。由圆心处向入口方向每隔 取一个纵截面，分别计为纵截面 截面。由圆心向出口方向每隔 取一个纵截面，分别计为纵截面 截面。纵截面示意如图。1 2 3 4 567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 22 3入口出口图 转弯段纵截面提取示意图 从数值模拟计算的结果中分别提取每个纵断面上最大流速值和位置坐标，记最大流速为（），其中 表示各纵截断面编号。为了便于比较不同结构的沿程流速变化，将（）无量纲化为（），其中 为 种结构中最大平均竖缝流速即 ；各纵截断面最大流速所处的位置距离外边墙长度计为，将其无量纲化为 用以表示主流在鱼道内的相对位置；转弯段的中心线长度为，每个横断面 长江科学院院报 年 沿中心线距原点长度为，并将其无量纲化 。根据数值模拟结果，得出 种结构的最大流速轨迹线和最大流速沿程分布曲线，如图 所示。00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.10.20.30.40.50.60.76 5%3 5%(a)(b)(c)0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.20.30.40.50.60.7转弯段中部yi /BXi /L0Xi /LVi(m a x)/u(a)(b)图 最大流速轨迹线和最大流速沿程分布曲线 种转弯段结构的最大流速轨迹线主要为两类，其一轨迹线大致在鱼道中部，另一种轨迹线主要靠近边墙。结构（）轨迹线 主要分布在 左右，在及纵截面 之间贴壁。结构（）、结构（）最大流速轨迹线 大致分布在之间主流居中，在和及纵截面 和截面 圆弧衔接段时轨迹线发生转向，主流开始进出圆弧段。其中结构（）轨迹线范围更大，结构（）轨迹线更加集中，很好的隔离了中央回流区。结构（）的沿程流速衰减并不明显，流速整体较稳定。其流速沿程分布呈现出先下降后维持相对稳定，在接近出口处有一定波动后上升的趋势。当 在 时最大流速呈现下降趋势，这是因为水流通过入口竖缝处进入转弯段，水流开始向四周扩散，进行掺混流速降低。在之间流速的沿程分布相对稳定，有缓慢增加趋势。整体而言主流流速有沿程衰减趋势，最大流速衰减分别为。在结构（）中流速沿程衰减明显，当 在 时，流速衰减一半以上，之后 在之内流速稳定减小，处于在一个较低水平，在接近出口处流速开始上升。整体流速相比于其他结构衰减明显，最大流速衰减率达到。流速沿程变化与边永欢等计算结果一致。在结构（）流速沿程分布呈现出波动现象，总体上主流流速较结构（）有所提高。在 时流速下降，即主流在到达隔板前流速下降。在时流速上升，可能是进入隔板通道的水流流量较大，而通道面积减小，水流流速上升。之后在隔板通道内流速先下降后上升，在接近通道出口处流速保持相对稳定。相比于结构（），布置隔板的转弯段主流区 范围内流速有所提提高，其最大流速衰减为，有所提升。统计主流区的流速分布表明：隔板结构可以有效的引导主流居中，相比于垂向导板结构主流分布也更加集中。其流速沿程变化明显，有利于鱼类感知流速梯度变化，找到上溯方向，同时流速沿程衰减明显，对控制鱼道流速，节省鱼类上溯体能消耗有一定的益处。结 论对鱼道 转弯段增设横向隔板的多个结构进行数值模拟，以主流居中，减小回流区为最优原则，对比分析各体型流态，得出以下结论：（）转弯段内增设横向隔板后，形成不同流速量值区间的上溯通道，主流区基本位于转弯段中间区域内，有效分割中央大回流区。（）转弯段内增设横向隔板后，中央回流区面积减小，长宽比有所的增加，形成扁形回流区，有助于减小迷失在回流区的风险，使鱼类快速通过。（）增设横向隔板结构相比于本文其他结构局部流速有所提高，但沿程流速衰减明显，最大流速衰减达到，有利于减小鱼类上溯体能消耗。其主流沿程流速梯度变化明显，有益于鱼类找到上溯方向，快速通过。与以往采用的垂向导板相比，本研究提出的顺水流方向布置导鱼隔板的布置方式为鱼道转弯段优化设计提供了不同的思路，下一步拟进一步开展对照过鱼试验研究。参考文献：陈凯麒，常仲农，曹晓红，等我国鱼道的建设现状与展望水利学报，（）：，曹庆磊，杨文俊，周良景 国内外过鱼设施研究综述长江科学院院报，（）：第 期柳松涛 等 竖缝式鱼道 转弯段隔板布置与水力特性 ，：刘志雄，周 赤，黄明海 鱼道应用现状和研究进展长江科学院院报，（）：，：，（）：，（，），（）：，（），（）：，：边永欢，孙双科，郑铁刚，等竖缝式鱼道 转弯段的水力特性与改进研究四川大学学报（工程科学版），（）：，：，：包 莉，安瑞冬竖缝式鱼道的弯道布置与结构形式研究水电站设计，（）：张 超，孙双科竖缝式鱼道不同角度转折段水池水力特性及改进研究水利水电技术，（）：韩 雷，狄高健，刘发智，等竖缝宽度对鱼道 转弯处水流特性的影响研究水利科学与寒区工程，（）：徐体兵，孙双科竖缝式鱼道水流结构的数值模拟水利学报，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，（）：毛 熹，脱友才，安瑞冬，等结构变化对鱼道水力学特性的影响四川大学学报（工程科学版），（）：张 超，孙双科，李广宁竖缝式鱼道细部结构改进研究中国水利水电科学研究院学报，（）：张国强，孙双科竖缝宽度对竖缝式鱼道水流结构的影响水力发电学报，（）：（编辑：王 慰）本刊投稿网址：长江科学院院报 年