组合隔板式鱼道水力特性数值模拟研究

鱼道是为鱼类提供洄游通道的一种重要的工程措施。基于Flow-3D采用标准RNG k-ε紊流模型和Tru-VOF追踪自由液面方法,对鱼道池室内流场进行三维紊流数值模拟,研究池室内水流流速、流态空间分布,分析鱼道的水力特性对目标鱼类洄游上溯的影响。结果表明:溢流堰与竖缝组合隔板式鱼道在设计流速v=0.75 m/s条件下,竖缝处平均流速为0.83 m/s,竖缝处流速分布范围为0.76~0.89 m/s;堰上流速为0.90~1.12 m/s,回流区流速分布范围为0.09~0.25 m/s,流速大小在鱼类的克流能力范围之内,但靠竖缝隔板处存在明显的主流贴壁现象。为此开展了池室优化方案设计,使鱼道池室流态满足鱼类上溯要求。     

竖缝式鱼道的水力特性研究

竖缝式鱼道因其过鱼效率高、对水位变化的适应能力强等技术优势而在国内外得到了广泛的工程应用。采用数值模拟计算方法,对竖缝断面平均流速分别为0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0m/s条件下竖缝式鱼道的水流结构进行了计算研究。研究结果表明,在0.8~2.0m/s范围内,竖缝断面平均流速值的大小对于各级水池内主流区分布、主流流速的沿程衰减规律以及竖缝断面流速分布并无显著影响,表明作者早先研究取得的研究成果具有较好的普适性。在此基础上,进一步研究了竖缝断面流速分布与各级水池内主流流速分布的变化规律。     

新型螺旋式鱼道水力特性的数值模拟

螺旋式鱼道是在现有竖缝式鱼道顺河布置的基础上进行结构改进而得到的一种新型鱼道,它将占用较小的平面面积,获得更大的提升高度。建立了数值模拟模型,采用结构化网格和隐式算法,以RNG k-ε湍流模型封闭方程,采用VOF法追踪自由水面,模拟了鱼道的流场。结果表明:鱼道中纵剖面水面稳定,水深沿程不变;不同水深截面水流流态及流速分布相似,均存在一个主流区和两个回流区;流速的最大值位于窄缝处,其值不超过1.2 m/s,出窄缝后流速迅速衰减到1.0 m/s以下,回流区流速较小,便于鱼类休息。     

竖缝位置对竖缝式鱼道水力特性的影响

为了分析竖缝位置对竖缝式鱼道池室内水力特性的影响,采用RNG k-ε湍流模型和速度-压力耦合SIMPLE算法对不同工况的鱼道进行了数值模拟。模拟结果表明:竖缝位置对主流的形态、主流流速的衰减及竖缝处流速分布影响不大;竖缝位置改变了主流区在池室内的位置,进而影响回流区的分布、大小和流场,竖缝位置距池室侧壁为池室宽度的25%~35%时,池室内水流流态较合理,能够显著提高过鱼效率。     

基于数模与物模的某工程短鱼道水流条件研究

为研究竖缝式短鱼道的水力特性,基于某工程过鱼设施,采用数值模拟计算和物理模型试验相结合的综合技术手段,对短鱼道标准池、休息池、转弯段、进鱼口以及过鱼竖缝等流场分布进行了分析研究。研究结果表明,数值模拟与模型试验结果基本吻合,竖缝及池室主流流速基本满足鱼类上溯要求,相邻池室间水深相差不大衔接顺畅,但在休息池与转弯段均存在主流贴壁以及回流区尺度差别较大的不利流态,今后还需通过整流挡板等措施进行体型优化。     

同侧竖缝式鱼道结构优化数值模拟研究

鱼道是保证鱼类能顺利洄游的过鱼设施。通过竖缝相对宽度分别为0.05,0.10,0.15,0.30,底坡为10%的鱼道模型进行数值计算。采用可视化显示及数据分析的方法分析不同竖缝相对宽度、底坡条件下的同侧竖缝式鱼道的水流结构特征。通过模型模拟,分析水流沿水深方向的流速分布情况、主流区最大流速沿程分布及沿程衰减情况,以及在不同竖缝相对宽度和(或)不同流速情况下的紊动能分布情况。综合各物理量的分析,得出竖缝相对宽度b₀/B=0.15、底坡为10%时,水流在池室内能形成较好的适合鱼类洄游的流态:主流区水流横向扩散范围适中,主流区最大流速沿程均匀衰减,回流区面积较为对称,流速较小。     

异侧竖缝式鱼道水力特性研究

为了对异侧竖缝式鱼道的水力特性进行系统研究,设计了带隔板的玻璃水槽,对该型式鱼道进行了试验模拟。测量了鱼道池室内的流速分布,分析讨论了不同竖缝宽度和池室长度下的无量纲流速分布特征和断面最大流速沿程衰减情况;提出主流轨迹的拟合公式,并比较分析了试验异侧竖缝式鱼道的水流特性。结果表明,该型式室内鱼道水流为二维流态。确定了主流流速与竖逢平均流速的比值范围。该试验结果可供相关设计及科研参考使用。     

异侧竖缝宽度对鱼道水流结构的影响研究

竖缝式鱼道是目前应用最为广泛、效果较好的过鱼工程鱼道设施,同侧竖缝式鱼道的结构设计、水流特征的研究现在已经相当完善,但对异侧竖缝式鱼道的研究比较匮乏。为此,采用数值模拟方法定量分析不同竖缝宽度工况下鱼道池室和竖缝处的水流结构、流速分布、回流区分布情况等水力特征参数的变化情况,并对比分析流态优劣给出了异侧竖缝式鱼道竖缝宽度b/B合理取值范围为0.15～0.20。     

异侧竖缝式鱼道在某工程的数值模拟与分析

竖缝式鱼道具有能较好适应水位变化、消能效果明显和水流流态较好等特点,且过鱼效果明显,广泛应用于实际工程中。通过数值模拟的方法,以鱼道底坡坡比和池室长宽比为变量,探究池室结构变化对异侧竖缝式鱼道水力特性的影响。模拟结果表明:（1）池室长宽比确定后,底坡坡比变化不影响主流区平面形态、沿程主流区最大流速位置分布和回流区面积大小分布,但当底坡坡比确定后,池室长宽比的变化对池室水力特性的影响较大;（2）各底坡坡比各池室长宽比,由于竖缝处射流作用的影响,沿程主流区最大流速距离竖缝位置一定范围内数值在变化,但最大流速位置并未发生改变;（3）当 Ｌ／Ｂ＝1．00,ｉ＝1∶70、1∶80、1∶90时,池室最大流速沿程衰减率达到最大值,池室内最大流速小于设计流速,相邻两级池室隔板间主流区平面形态弯曲较小,回流区两侧面积相差较小且池室主流区未出现贴壁流现象,因而可作为研究区域鱼道的设计参数。     

竖缝式鱼道池室结构变化对水力特性的影响分析

竖缝鱼道的消能主要集中在竖缝处,竖缝束窄使水流形成漩涡,导致鱼道内流速过高,水流紊乱。为了改善竖缝式鱼道池室的水流特性,采用雷诺应力(RSM)模型对不同结构形式的同侧竖缝鱼道进行数值模拟。研究表明:在池室内正对竖缝下游布置圆柱型障碍物,竖缝处流速梯度减小,紊动能和雷诺剪切力均降低约20%～30%,这种池型的鱼道水力特性稳定,能满足更多鱼类的过坝。     

竖缝式与仿自然结合鱼道水力特性及其优化

仿自然鱼道和结构型鱼道结合布置而成的鱼道,既具有仿自然鱼道和结构式鱼道的优点,又能满足苛刻的地形条件。针对地盘子鱼道,在设计及优化方案下分别建立比尺为1:10的整体模型,通过实测两种方案下模型水流的水位、流速及流态,论证了设计方案的合理性及优化方案的优化效果。结果表明:竖缝式和仿自然式结合布置的鱼道内水流流态良好,结构段和仿自然段采用较大底坡比进行衔接对衔接段流态并无不利影响; 各溢流槽和竖缝平均流速基本保持在0.7~1.2 m/s,大流速区主要分布在衔接段及鱼道进口附近; 与设计方案相比,优化方案中过鱼设施结构段S52~S57断面竖缝宽度增大25%,池室消能率最大降低50%;仿自然鱼道段进口处水深由1.0 m增加至1.3 m,F63~F68断面流速最大降低52%,有效保障了过鱼条件。研究结果可为设计和建设复杂场地过鱼设施提供参考。     

大底坡下“H”型竖缝式鱼道池室水力特性数值研究

竖缝式鱼道作为一种生态补偿工程可有效缓解水利工程对鱼类洄游造成的不利影响,研究合理参数下竖缝式鱼道水力特性对建设经济有效型鱼道具有重要意义。基于物理模型试验与三维数值模拟相结合的方法,在大底坡1∶20情况下,系统分析了9种池室长宽比的“H”型竖缝式鱼道流场分布及水力特性。结果表明：不同池室长宽比下主流均呈“S”型,主流流速最大衰减率为46.4%~61.3%;池室长宽比L∶B=10∶8为大底坡“H”型竖缝式鱼道最佳池室长宽比,该方案池室内水流流态较好,主流向右侧弯曲且曲率最大,存在较大范围的低紊流区,且满足鱼道单位体积消能率的要求,有利于鱼类洄游上溯。研究结果可为大底坡下“H”型竖缝式鱼道参数选取与水力优化设计提供参考依据。     

基于竖缝隔板的大底坡鱼道水力优化数值模拟

为了优化大底坡竖缝式鱼道池室水力特性,在验证物理模型的基础上,构建三维水动力数学模型,考虑5种大底坡坡度对竖缝有无隔板及竖缝隔板不同安装高度的池室水力分布进行了数值模拟分析。结果表明,竖缝设置隔板能有效减小池室最大流速和平均湍动能;当底坡为1/20时,池室最大流速下降率为10.16%~14.84%,平均湍动能下降率为21.88%~42.19%,主流最大流速衰减率为61.24%~61.82%,池室内形成了小流速、低湍动的Ω形连续性水流;改变竖缝隔板安装高度会影响隔板上下水深处的竖缝流速大小,但对隔板上下水深处的流速、湍动能、应变率的分布规律无显著影响。     

竖缝与堰组合式鱼道水力特性数值模拟研究

堤坝等水利水电工程截断河流,鱼道能克服其阻碍作用,使鱼类顺利上溯洄游。采用RNG k-ε湍流模型对竖缝与堰组合式鱼道进行数值模拟,对其池室内流速以及紊动能情况进行分析研究。结果表明：该类型鱼道池室内部水力特性稳定,具有竖缝式鱼道和堰式鱼道共同优点,适宜于不同鱼类游过,能较好地适应鱼类上溯。     

雅鲁藏布江藏木水电站鱼道工程设计与研究

藏木水电站为雅鲁藏布江干流中游水电规划的第4级电站。藏木水电站采用鱼道过鱼方式达到大坝上下游鱼类基因交流,并为部分鱼类繁殖洄游提供必要通道的目的。藏木鱼道设计和研究期间,先后开展了国内外过鱼设施调研、过鱼对象和过鱼季节研究、鱼类游泳能力测试、水力学模型试验、鱼道模型可通过性试验,后续即将开展鱼道监测。藏木鱼道布置在河床右岸,全长3 621.338 m,鱼道池室型式选用垂直竖缝式,竖缝流速为1.1 m/s,池室长度3.00 m,池室宽度2.40 m,竖缝宽度0.30 m,运行水深1.00~2.70 m,鱼道坡度0.02,鱼道共计13个可供休息鱼类场所。藏木鱼道设3个鱼道进口,并增设鱼道进口补水诱鱼系统,鱼道中段设鱼道观测室,观测室旁增设旁通池,共设置4个鱼道出口。     

同侧导竖式鱼道水力特性试验研究

以某水电站鱼道体型为研究基础,通过1∶10鱼道局部模型,对同侧竖缝式池室的水力特性进行了试验研究,得到了过鱼池室流态、流速分布以及适合目标鱼类上溯的路径等,并对隔板体型、竖缝宽度以及池室长度等进行了分析论证。试验结果表明,该隔板型式、池室尺寸以及池底坡度的同侧导竖式鱼道参数设计基本合理,比较适合需要保护的4大家鱼洄游上溯。通过活鱼试验,验证了鱼类上溯喜好的水力条件等。     

同侧竖缝式鱼道水力特性的数值模拟

分别采用标准的k-ε模型和雷诺应力方程模型(RSM)对同侧竖缝式鱼道池室内的水流进行了三维数值模拟。对鱼道池室内的流场、雷诺剪切应力等相关水力要素进行了分析,并应用水工模型试验成果对2种紊流模型的结果进行了验证比较。结果表明：2种紊流模型均可模拟同侧竖缝式鱼道水流基本特性,但 RSM 模型流速场的计算结果与水工模型试验结果更为吻合。     

大渡河枕头坝一级水电站鱼道设计研究

枕头坝一级水电站位于大渡河干流上,为减缓工程对鱼类的不利影响,提出了修建鱼道来改善大坝上下游鱼类种群交流.枕头坝一级水电站鱼道工程设计总长1 241.74 m,是目前国内已建和在建规模最大的鱼道工程.在鱼类游泳能力测试和水力学模型试验的基础上,对鱼道的过鱼对象、鱼道建筑物设计进行了研究.最终确定,枕头坝一级水电站采用单侧竖缝式鱼道,鱼道内过鱼孔流速建议为1.10～1.25 m/s;进口流速应大于0.15～1.3 m/s;鱼道设置3个进口,并增设诱鱼系统;还在鱼道进口和出口分别设置1个观察室,以便指导调整鱼道运行方式.     

异齿裂腹鱼通过鱼道内流速障碍能力及行为

鱼类通过流速障碍能力是鱼道设计的主要生态指标,目前国内外主要使用封闭游泳水槽进行鱼类各种游泳速度指标及游泳行为研究,其水流流态及鱼类游泳行为与鱼类通过鱼道的实际状态有较大的差距,有必要结合鱼类游泳速度指标来探索能够更加准确量化鱼类通过鱼道流场的游泳能力测试方法。首先,在封闭游泳水槽中通过速度递增法测得异齿裂腹鱼临界游泳速度(101.01±20.86 cm/s)和突进游泳速度(196.94±21.80 cm/s);然后,以临界游泳速度和藏木水电站鱼道竖缝流速(110.00 cm/s)为参考,通过在开放游泳水槽内加不同束窄梯形体,形成类竖缝式鱼道的鱼类自主游泳能力测试水槽,开展两种底坡条件下4级短竖缝(工况1和工况2竖缝流速为101.55±14.87 cm/s、114.63±24.28 cm/s,竖缝顺水流长度均为40 cm)和单级长竖缝(工况3竖缝流速为137.45±17.63 cm/s、竖缝顺水流长度为160 cm)下试验鱼通过流速障碍能力和行为研究。试验结果表明:工况1、工况2下试验鱼通过4级竖缝成功率分别为82.05%、84.62%,通过流速大于临界游泳速度的竖缝时,持续爆发游泳时间为0.52±0.34 s;工况3下93.33%试验鱼以209.43±21.76 cm/s游泳速度成功通过单级长竖缝;3种工况下试验鱼通过流速大于临界游泳速度的竖缝时,以与突进游泳速度无显著性差异(P0.05)的恒定游泳速度(214.01±30.64 cm/s)上溯。鱼类游泳轨迹与流场耦合分析表明:鱼类上溯所需时间及路径长度与其选择的游泳路径密切相关,试验鱼通过借助回流区同向水流推动,增加上溯效率。本文研究方法及研究结论可为鱼道设计、改造、评价提供依据。     

竖缝式鱼道90°转弯段水力特性研究

水流流态和紊动能是鱼道两个重要的水力特性,这两个因素是否合理,很大程度上决定了鱼道设计以及过鱼效果的好坏.以老口航运枢纽鱼道工程为原型,以1:1的比例建立数值模型,采用Flow-3D软件,对竖缝式鱼道90°转弯段的水力特性进行数值模拟研究,分析了竖缝式鱼道90°转弯段流态和紊动能分布、主流区沿程及垂向的流速和紊动能变化...