隔板型式对竖缝式鱼道水力特性的影响研究

通过改变隔板中竖缝的位置和数量,构造四种不同型式的竖缝式鱼道,利用计算流体动力学分析工具,获得了不同工况下四种鱼道模型的三维流场。研究表明:同一鱼道型式、同一底坡,其主流曲线形式(池室内水流形态)与流量变化无关。研究结果可为鱼道设计提供参考。     

异侧竖缝式鱼道水力特性数值模拟优化研究

文章以江西省峡江水利枢纽鱼道工程为例,基于实测数据验证鱼道水力模型,采用RNGk-ε湍流模型耦合VOF法对异侧竖缝式鱼道池室结构展开数值模拟研究。结果表明：鱼道横隔板采用竖缝尺寸0.6m,竖缝相对宽度为0.20时,竖缝断面最大流速1.18m/s,主流流速集中分布在0.95～1.15m/s,满足主要过鱼对象上溯条件;在鱼道1/2休息池室长度处,增设长宽比为2.5,高度3.5m, 30°导角的导板,休息池主流区平均流速0.83m/s,回流区平均流速0.30m/s,且能够形成3个大小适宜的区域供给鱼类休息。     

隔板布置型式对竖缝式鱼道水力特性影响研究

鱼道是为解决大坝或水闸等水工建筑物阻断鱼类上溯而修建的人工通道。以某拦河闸坝鱼道工程中的竖缝式鱼道为研究对象,初步设计竖缝式鱼道的结构形式,设置同侧、异侧、双侧竖缝布置三种工况,通过有限元方法对简化的鱼道模型进行计算。流场采用雷诺平均N-S方程进行模拟,RNG k-ε湍流模型对方程进行封闭,使用有限差分法对流体计算域进行离散,压力速度耦合的求解采用GMRES算法。对不同隔板布置型式的竖缝式鱼道进行对比分析,探讨隔板布置对池室流速大小、流场分布和湍动能等水力特性的影响。结果表明,不同隔板布置型式基本不影响主流区流速范围,主流区流速范围均在0.8 m/s～1.1 m/s,但对湍动能有较大影响,异侧竖缝布置对湍流耗散能力最强。同侧竖缝布置的隔板型式是优选方案,可对竖缝式鱼道的设计提供一定的参考意义。     

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。     

环形波纹钢管涵洞式鱼道水力特性数值模拟

环形波纹钢管涵洞式鱼道内波纹的粗糙度可以使边界附近产生足够低的流速,鱼类可以由此游向上游。对3种流量0.05,0.07,0.09 m3/s,3种埋深0D,0.1D,0.2D,坡度0.4%工况下,环形波纹钢管涵洞式鱼道内水面线、流速场和紊流场分布分别进行了数值模拟研究。结果表明环形波纹钢管涵洞中,高流速区（无量纲流速大于0.9）位于涵洞过水断面中心区域,高紊流区（紊流强度大于0.2）位于水面中心附近。在涵洞底部边壁附近较大区域内,由于流速较小,紊流强度也较低（紊流强度小于0.1）,鱼类可以由此顺利完成上溯。相比无埋深式涵洞,嵌入式涵洞内平均流速较小,紊流强度变化较为平缓,更有利于鱼类的洄游。     

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。     

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。     

新型竖缝式双池室鱼道设计及其水力特性分析

鱼道是为保障鱼类的生存繁衍,保护洄游性水生物通过水坝、水闸等障碍物的重要通道。设计一种新型竖缝式双池室鱼道,并采用RNG κ-ε模型对鱼道进行数值模拟,计算分析其水力特性。结果表明:鱼道具有3条主流区和多个稳定的低流速回流区;鱼道池室内水流具有丰富的流速信息,能够给不同鱼类提供上溯信息供其洄游;休息池室中回流区的紊动能较小且沿程稳定,消能池室紊动能最大值为。竖缝式双池室鱼道作为一种新型鱼道,其水力特性较易满足鱼类洄游条件,相关成果可为鱼道工程设计提供参考。     

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。     

涵洞过鱼通道典型挡板水力特性研究

作为现代水利工程建设中河流修复的一种特有手段,涵洞的基本功能除了作为路桥系统的输水通道之外,还要为工程所在流域水生动物能顺利通过障碍提供一条通道。但国内关于涵洞式过鱼通道水力设计方面的文献较少,我国涵洞式鱼道在修建过程中可供参考的理论依据非常有限。在分析国外涵洞式鱼道相关试验数据的基础上,对偏移式(OB)、槽堰式(SWB)和堰式(WB)3种典型挡板的水力特性及流场分布特征进行了归纳,得到了无量纲流量、水深、坡度与流速的关系表达式,比较并分析了3种挡板的工作性能。研究成果将为国内涵洞式鱼道的内部改造和水力设计提供理论依据与参考。     

竖缝式鱼道水流结构的数值模拟

对竖缝式鱼道的水流结构进行了数值模拟计算,系统研究了鱼道水池长宽比和隔板墩头布置体型对水池内水流流态的影响。研究表明,鱼道水池长宽比是影响竖缝式鱼道水流结构的主要控制因素,长宽比在8∶8～10.5∶8的范围内,可以获得较好的流态。研究还表明,隔板是否设置墩头对水流结构的影响有限,从避免漂浮物滞留与防止泥沙淤积角度看,在实际的鱼道工程中可考虑不设隔板墩头。     

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。     

竖缝式鱼道不同角度转折段水池水力特性及改进研究

由于受鱼道进出口位置、场地条件、枢纽布置等因素限制,大部分鱼道工程需要沿线盘折布置转折段、转弯段水池等非常规水池。采用数值模拟的方法,研究了不同转折角度α(0°α≤90°)的Ⅰ型鱼道转折段水池内的水流结构分布规律。研究表明,当转折角度α=0°~45°范围内时,主流基本居中,水流结构良好。当转折角度α在45°~90°时,出现了主流贴壁并伴有较大尺度回流区的水流结构,并且随着转折角度α增大,主流贴壁程度增大,内侧回流区尺度进一步增大。针对鱼道转折角度α在45°~90°水流结构所出现的问题,提出了增设整流导板并延长转折段水池长度的改进措施,改善了水流流态。研究所得结果为鱼道设计提供参考。     

竖缝式鱼道细部结构改进研究

本文针对鱼道细部结构进行改进研究,提出了流线型墩头的布置型式。采用数值模拟的方法对不同墩头型式的鱼道进行水力特性对比分析,并对流线型墩头的鱼道进行试验研究。结果表明:与折线型墩头相比,流线型墩头不会导致鱼道水池内水流结构的显著改变;主流横向偏转程度有所减缓,横向扩散加大,有利于主流流速的沿程衰减;而竖缝控制断面局部水头损失减少,需采用较小的鱼道底坡以控制竖缝断面流速。鉴于流线型墩头能避免折线型墩头对上溯鱼类可能造成的物理伤害,条件允许时可考虑采用。