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。     

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。     

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。     

依兰航电枢纽竖缝式鱼道优化研究

采用正态1 ∶ 20整体物理模型水流试验为研究手段,对竖缝式鱼道进行水力学试验研究.重点研究了不同流量下,鱼道内沿程水位、比降及流速等水力要素变化,并通过逐步优化,得出了满足鱼类上溯要求的最终优化方案.     

竖缝式鱼道水力特性与鱼类运动特性相关性分析

竖缝式鱼道(Vertical Slot Fishway,VSF)作为一种协助上溯性鱼类恢复其洄游通道的生态补偿措施,受到广泛关注。其过鱼效果与VSF的水力特性和鱼类的游泳运动能力密切相关。因而,良好的VSF设计应保证池室内的水力特性与过鱼对象的游泳运动能力相适宜。本文选取上溯性鱼类鳙鱼和草鱼为研究对象,将VSF池室内水力因子空间分布与鱼类运动轨迹相叠加,定量分析了鳙鱼和草鱼在上溯过程中的运动特性、水力偏好以及鱼类运动轨迹与特定水力因子的相关程度。试验结果表明:在流量为0.135 m3/s的VSF池室内,两种鱼喜好在紊动能为0.02~0.035 m2/s2、流速为0.16~0.4 m/s、紊动耗散率为0.02~0.04 m2/s3、应变率为2~3.5 s-1的范围内运动。鳙鱼和草鱼在不同水力区域内的上溯时间与紊动能、流速相关性较大;水流流速矢量体现鱼的趋流特性,决定了鱼的上溯方向,而对于局部空间内鱼的游泳运动行为,紊动能可能是影响更直接的水力因子。     

竖缝式鱼道休息池水力特性研究

目前竖缝式鱼道在全国乃至世界均得到了广泛的应用,已有研究表明,水池的长宽比、导板长度、导向角等参数影响竖缝式鱼道的水流结构。文章在已有研究基础上合理取用竖缝式鱼道的长宽比、导板长度、导向角等参数,进一步分析研究休息池导向角对休息池水流结构的影响程度及合理的导向角取值范围。     

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。     

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...     

貊皮岭鱼道水力特性的模型试验研究

该文通过物理模型,对江西信江八字嘴航电枢纽工程貊皮岭鱼道水流流场及水力特性的变化对鱼道内鱼类影响进行研究.通过模型试验的验证,本工程采用的生态隔墙(板)布置形式,可为鱼类上溯提供良好水流条件,成果可供同类工程借鉴.     

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。     

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。     

竖缝式鱼道休息池水动力特性研究

诸多鱼类会在休息池内,特别是转弯段休息池内出现滞留或上溯困难。通过建立三维RNG k-ε紊流模型,分析了竖缝位置、池室长度、休息池内增设辅助隔板等对直段休息池、转弯段休息池水动力特性的影响。结果发现,休息池内水流紊动能、紊动耗散率远低于普通池室,且休息池越长,紊动能及紊动耗散率越低,休息空间越大;竖缝位置对直段休息池水流特性影响不大,规范规定的休息池池长是合理的。对于29°弯段休息池,竖缝异侧布置更有利,对于180°弯段休息池,同侧布置更有利;由于180°弯段休息池池室中央存在大范围高流速回流区,应予充分重视。在休息池内增设辅助隔板能有效消除池室中央大回流区,且大幅增加低流速区面积,值得推广应用。     

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。     

Design of a bilateral-symmetric multi-slot fishway and its comparison with vertical slot fishway in terms of hydraulic properties

Aiming at improving the hydraulic properties and enhancing the fish passage efficiency, this study proposes a novel bilateral-symmetric multi-slot fishway (BMSF) by combining the structural features of a double-sided vertical-slot fishway, multi-slot fishway and T-shape fishway. Eight BMSF cases are further designed by adjusting the slot width and the distance between the short baffle and the front end of the central wall, in order to achieve the relatively best hydrodynamic characteristics. The flow fields of two vertical-slot fishways and eight BMSF fishways are obtained by numerically solving the Reynolds-averaged Navier–Stokes equation, the volume-of-fluid equation and the k-ω-SST turbulence model. Numerical results manifest that the recommended BMSF-8 provides the smallest values in terms of the maximum time-averaged velocity magnitude (1.42 m s⁻¹), the maximum time-averaged turbulent kinetic energy (0.132 m² s⁻²), the maximum time-averaged Reynolds shear stress component (44 Pa), the spatial-mean time-averaged velocity magnitude (0.58 m s⁻¹), and the spatial-mean time-averaged turbulent kinetic energy (0.042 m² s⁻²) in the middle pool at Q = 1000 L/s. Even for the depth-mean time-averaged velocity magnitude at the slot and the volume percentages of some critical physical quantities, BMSF-8 is also superior to the other cases. To sum up, BMSF-8 leads to the relatively lowest flow velocity and turbulence, being more suitable for the passage of the whole fish community (especially for small-sized fishes with weaker swimming ability). In addition, the generalizability of the aforementioned superiority of BMSF-8 is displayed by providing the numerical results of four operating conditions (i.e., Q = 600, 800, 1000 and 1200 L/s).     

Survey on performance of vertical slot and nature-like fishways at Angu hydropower station,Southwest China

To restore dam-blocked natural fish migratory passages, a growing number of artificial fishways have been built in water conservancy and hydropower projects in China. The Angu hydropower station involved diverse important fish habitats in the lower reaches of the Daduhe River in Southwest China. Therefore, a vertical slot fishway (VSF) and a nature-like fishway (NLF) were built near the backwater area of the reservoir to connect the upstream and downstream habitats. Hydrodynamic and aquatic ecological surveys were conducted after the completion of the project to estimate the fish passing effect of the two fishways. The results indicated that both fishways were in effective operation and could maintain the desired hydrodynamic conditions and be used by several local fish species. During the survey, 149 fish from 15 species and 111 fish from 17 species were captured by the traps in the VSF and NLF, respectively, while 1 263 fish from 27 species were found in the downstream area. Some species captured in the VSF were not found in the NLF, and vice versa, which implied the different preferences of fish. Meanwhile, 3 789 signals including 2 099 upward ones and 1 690 downward ones were monitored with an ultrasonic fish detector at the inlet of the VSF. These findings revealed the characteristics of fish species observed in and near the fishways and provided valuable insights into the different fish passing capabilities of VSF and NLF.

     

齐口裂腹鱼幼鱼在竖缝式鱼道模型中的上溯行为研究

为了解齐口裂腹鱼在鱼道中的上溯情况,在大比尺竖缝式鱼道物理模型中开展了以齐口裂腹鱼幼鱼为过鱼对象的过鱼试验研究。试验中对通过时间、通过率和上溯轨迹进行了记录,并运用Spearman秩相关分析对齐口裂腹鱼的上溯轨迹和池室结构的水力因子(流速、紊动能、总水力应变)进行了分析。研究发现,试验用鱼通过时间平均值为132.7s,多数鱼倾向于快速通过鱼道完成上溯。试验鱼道通过率为71.9%,过鱼效果良好。多数齐口裂腹鱼上溯过程中会避开高流速区、高紊动能区和高水力应变区,在池室内齐口裂腹鱼上溯轨迹主要分布于上述参数较低的右侧回流区和隔板背水面,竖缝断面处多数齐口裂腹鱼选择上述参数相对较低的隔板侧区域通过。研究结果可为相关竖缝式鱼道设计和实践提供参考。