竖缝式鱼道90°转弯段水力特性研究

李明泉，蔡德所，吴攀高，李 烈

（1.广西壮族自治区水利科学研究院 广西水工程材料与结构重点实验室，南宁 530023；2.三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443000；3.广西水利电力职业技术学院，南宁 530023）

0 引言

鱼道在国内的发展大约起于20 世纪60 年代，中间经历了20 年左右的停滞期，2000 年以后随着人们意识到生态环境的重要性，鱼道迎来了二次发展时期[1，2]。2000年以前，国内学者对鱼道的水力特性鲜有研究；随后，随着流体力学软件的飞速发展[3]，水力特性的研究越发便利，人们对鱼道水力特性的研究也逐渐增多。

2008年，董志勇等人建立了异侧竖缝式鱼道模型，实测了鱼道模型主流区的流速，分析了不同流量，在相同水深下，流速的沿程变化[4]。2009 年，徐体兵等人研究了竖缝式鱼道水池长宽比变化及墩头对水流结构的影响，并进行了模型实验[5]。2011年，毛熹等人通过鱼道模型试验，测量了某一池室内的流速分布，并提出了一种优化的新型鱼道结构[6]。2012 年，张国强等人对竖缝宽度和竖缝式鱼道水流结构的关系做了数值模拟研究，分析了主流区的流速曲线及竖缝式断面处的流速分布，给出了竖缝式鱼道竖缝宽度合理的取值范围[7]。2013 年，边永欢等人研究了竖缝式鱼道竖缝断面和主流区的流速分布，以及回流区的水流结构特性[8]。2015年，边永欢等人对竖缝式鱼道90°转弯段的水力特性进行了数值模拟，提取了主流区最大流速轨迹曲线，并针对水流结构，提出了改进措施[9]。

我国虽然在鱼道水力特性的研究取得一定的成就，但仍有许多鱼道处于运行情况不佳的状态。我国鱼道的主要过鱼对象与外国不同，不能照搬国外经验。鱼道沿岸布置时，受到地形条件的限制，常设置成90°转弯段，国内对鱼道90°转弯段的参考资料仍然较少，因此需结合过鱼对象，对鱼道90°转弯段的水力特性进行更进一步的论证。本文以广西老口鱼道工程为背景，采用Flow-3D 软件对其90°转弯段的水力特性进行数值模拟研究，分析主流区的流速和紊动能等问题，以期为老口鱼道过鱼效果评价及今后的鱼道设计提供科学依据。

1 建立模型

1.1 物理模型

物理模型的原型为广西老口航运枢纽的鱼道工程，采用1∶1的比例建立物理模型。采用Rhinoceros 软件绘制鱼道三维模型，并保存成stl 格式文件，以便于导入Flow-3d 软件，进行三维模拟计算。相较于平直段鱼道，90°转弯段为鱼道的特殊段，为了避免90°转弯段内的水力特性受到边界条件的影响，在鱼道模型的进口及出口各增加2 个池室[7，9]。模型由平直段的4 个池室和90°转弯段的3 个池室组成。沿模型中轴线，模型长30.7 m，宽3.6 m，高2.8 m，墙和底板厚度设为0.3 m，每个池室长3.3 m，宽3 m。由于所取90°转弯段模型较短，底坡变化不大，故不考虑底坡的影响。模型的整体布置如图1所示，横隔板及导板等细部结构如图2所示。

图1 鱼道整体布置图

图2 池室细部结构图（单位：mm）

1.2 数学模型

Flow-3D对自由液面有强大的捕捉能力，把水流看成不可压缩的流体，对水流的紊流流动，采用Flow-3D中内置的RNG k-ε湍流模型[10]，控制方程如下：

（1）连续方程

式中：ρ为流体密度；VF为可流动的体积分数；t为时刻；Gx、Gy和Gz分别为物体在x、y和z3个方向的重力加速度；fx、fy和fz分别为x、y和z3个方向的粘滞力加速度；p为压强。

（3）湍动能kT方程：

式中：Diffε为扩散项；GT为重力加速度；CDIS1、CDIS2和CDIS3为常数项，其值分别为1.44、1.92和0.2。

采用truVOF方法追踪自由表面流动，求解水气两相的体积分数连续方程，以此确定自由液面位置。其方程如下：

2 模拟计算

为了使模型充分计算，得到水流稳定后的计算结果，本次模拟计算总时间定为300 s，模型加载20℃的水流。模拟选择的网格为立方体网格（0.1 m×0.1 m×0.1 m），模型总共被划分为433 541 个网格。网格划分完毕后，可采用Flow-3D 内置的FAVOR功能查看网格划分后的模型，对于外形有缺陷的地方可进行局部加密，提高模型计算的准确性。

模拟选择的对象为鱼道90°转弯段，为了减少对转弯段模拟计算的影响，把模型分为3 个部分——两端的平直段和90°转弯段[9]。网格划分见图3。

图3 网格划分

鱼道模型的两侧墙壁和池底的边界条件均设置为固壁边界；顶端设置为压力边界，流体分数设置为0，表示鱼道模型的上方为空气；水流进口和束流出口同样设置为压力边界，压力为静水压力，按照老口鱼道的设计水位，将水流进口的水深设为2.0 m，水流出口的水深设为1.6 m。边界条件见图4。

图4 边界条件

压力求解方式采用GMRES 方法。时间步长的设置均使用默认值（Flow-3D 默认的时间步长为1.0×e-6×Finish time），Flow-3D会根据实际情况自动进行计算[11]。

3 模拟结果

3.1 水流流态

鱼道设计的成功与否，与鱼道的水流流态的好坏有很大的关系。老口鱼道设计运行水深为2.0 m，模型计算结束后，取距池底高度分别为H=0.5 m 和H=1.0 m的平面，做成切片，流态分布见图5。

图5 流态分布图

从图5可以看出，竖缝式鱼道90°转弯段有明显的主流区和回流区，明显的主流区有助于鱼类洄游时感应方向，回流区流速普遍低于主流区，可为鱼类洄游时提供临时休息的场所；同一深度，不同池室流态分布相似，不同水深相同池室水流流态分布也相似。为了研究竖缝式鱼道90°转弯段主流区的流速情况，在90°转弯段沿主流区，从上游到下游依次选取12个测点（见图6），得到不同水深主流区流速的沿程变化图（见图7）。

图7 主流区流速分布图

从图7可以看出，水流进入竖缝式鱼道90°转弯段后，流速略有提升，其中测点4 和测点10 是竖缝处测点，表明水流在通过竖缝时流速降低，通过竖缝后流速增加；主流区的最低流速约为0.65 m/s，最高流速约为1.2 m/s，回流区的流速普遍低于0.5 m/s，回流中心的流速趋近于0；整体来说，相同位置，距池底越高流速越低。

3.2 紊动能

紊动能的大小也是影响鱼道设计及鱼类过鱼效果的重要因素，经查阅文献，发现对竖缝式鱼道紊动能的研究较水流流态少。紊动能越小，鱼道内的水流越平稳，鱼类通过鱼道的可能性就越高[7，12]。和研究水流流态一样，取距池底高度分别为H=0.5 m和H=1.0 m的平面，做成切片，紊动能分布见图8。

图8 紊动能分布图

从图8 可以看出竖缝式鱼道90°转弯段紊动能的分布和水流流态基本一致，同一深度，不同池室紊动能分布相似，不同水深相同池室紊动能分布也相似。中间回流区的紊动能最小，最小值趋近于0。为了研究竖缝式鱼道90°转弯段主流区的紊动能情况，在90°转弯段沿主流区，从上游到下游依次选取12 个测点（见图6），得到不同水深主流区紊动能的沿程变化图（见图9）。

图9 主流区紊动能分布图

从图9 可以看出水流进入竖缝式鱼道90°转弯段时，主流区紊动能略有提升，随后趋于稳定。主流区紊动能最低约为0.010 J/kg，最高为0.025 J/kg。整体来说，相同位置，距池底越高紊动能越大。

4 讨论

老口鱼道的主要过鱼对象为常见的“四大家鱼”（青鱼、草鱼、鲢鱼和鳙鱼）[10]，目前国内鱼类游泳能力的研究资料较少，根据《水利水电工程鱼道设计导则》（SL 609-2013）[13]，“四大家鱼”的游泳能力见表1。

一般来说，鱼类的极限流速和体长是成正比的[14]，结合表1可知，体长0.50～0.60 m的青鱼比较容易通过此鱼道；体长0.3 m以下的草鱼和鲢鱼、体长0.8 m以下的鳙鱼，其极限游速小于鱼道主流区的最大流速，通过鱼道时会有阻碍；体长0.3 m及以上的草鱼和鲢鱼、体长0.8 m及以上的鳙鱼，其极限游速大于鱼道主流区的最大流速，可以顺利通过鱼道洄游。

表1 “四大家鱼”的游泳能力

5 结论

本文以老口航运枢纽鱼道工程90°转弯段为原型，结合Flow-3D 软件，对竖缝式鱼道90°转弯段进行了模拟计算，分析了90°转弯段主流区流速和紊动能的沿程及垂向变化，得出的结论如下：

（1）竖缝式鱼道90°转弯段有明显的主流区和回流区，明显的主流区有助于鱼类洄游时感应方向，回流区流速普遍低于主流区，可为鱼类洄游时提供临时休息的场所；主流区流速较低，能适应主要过鱼对象大部分体长范围的鱼类通过；整体来说，相同位置，距池底越高流速越低。就流速因素而言，老口鱼道90°转弯段的设计比较合理。

（2）竖缝式鱼道90°转弯段紊动能的分布和水流流态基本一致，紊动能整体较小，最高仅为0.025 J/kg。整体来说，相同位置，距池底越高紊动能越大。就紊动能而言，老口鱼道90°转弯段的设计合理，有利于鱼类洄游。

（3）数值模拟结果表明，老口竖缝式鱼道90°转弯段有着良好的水力特性（流态和紊动能），能帮助鱼类洄游。由于老口鱼道还未正式投入使用，具体的洄游效果如何，还需要在鱼道使用中进行检验。