针对兴隆水利枢纽工程鱼道水力学数值模拟

'第33卷第5期水利水电科技进展2013年9月Vo1．33No．5AdvancesinScienceandTechnologyofWaterResourcesSep．2013DOI：10．3880／j．issn．1006—7647．2013．05．0l1兴隆水利枢纽工程鱼道水力学数值模拟汪红波，王从锋，刘德富，赵萍，向经文，童迪(1．三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002；2．广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁530023；3．长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，湖北武汉430010)摘要：应用RNGk-s湍流模型和有限差分法对兴隆水利枢纽工程鱼道的设计模型和另外2种对比模拟模型进行了数值模拟计算，分析了过鱼池的流态、紊动能和紊动能耗散率等指标，并对比分析了不同孔口布置的淹没孔口式横隔板鱼道的水力特性。结果表明：兴隆水利枢纽鱼道具有良好的消能效果，相邻隔板孔口异侧布置比同侧布置消能效果好；可以通过改变淹没孔口式鱼道隔板的孔口位置、数目及尺寸进行体型优化。关键词：鱼道；横隔板；流态；消能；数值模拟；兴隆水利枢纽工程中图分类号：$956．3；TV131．4文献标志码：A文章编号：1006—7647(2013)05—0O47—05NumericalsimulationofhydrauliccharacteristicsoffishwayinXinglongHydro-JunctionProject／／WANGHongbo，WANGCongfeng。，LIUDefu，ZHAOPing，XIANGJingwen，TONGDi(1．CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering，ChinaThreeGorgesUnwe~ity，Yichang443002，China；2．GuangxiElectricPowerIndustryInvestigationDesignandResearchInstitute，Nanning530023，China；3．Chang]iangInstituteofSurvey，Planning，DesignandResearch，ChangfiangWaterResourcesCommission，Wuhan430010，China)Abstract：Thedesignmode1andothertworeferencemodelsofthefishwayinXinglongHydro—JunctionProjectwerenumericallysimulatedbytheRNGk．turbulencemodelandthefinitedifferencemethod．Theflowpatternandparameters．suchasturbulentkineticenergyandenergydissipationrate，wereanalyzed．Thehydrauliccharacteristicsofthesubmergedorificetransversediaphragmplatefishwaywithdifferentorificelayoutswerecomparedandanalyzed．TheresultsshowthatenergydissipationeffectofthefishwayinXinglongHydro—JunctionProjectisgood．Theenergydissipationeffectwiththeoppositearrangementofadjacentbaffles’orificeisbetterthanthatwiththeipsilateralarangement．Thesubmergedorificetransversediaphragmplatefishwaycanbeoptimizedbychangingtheposition，amountandsizeoftheorifices．Ithasastrongplasticityandgoodapplicationprospect．Keywords：fishway；baffle；flowpattern；energydissipation；numericalsimulation；XinglongHydro—JunctionProjeet水利水电工程的建设改变了河流的连续性，使如倾斜式、三角堰等，通过堰流水垫消能，它是针对河流的连通性遭到破坏，生境片段化，阻隔了鱼类的拥有较强游泳能力的鱼类设计的，适用于水位变幅洄游通道，使洄游及半洄游性鱼类的生存、繁衍受到很小，有足够布置场地的条件；淹没孔口式鱼道在横严重威胁¨J。鱼道是一种通过特殊结构形式消能，隔板上开孔，通过孔口水流的对流扩散消能，可以开能创造良好的水流条件的过鱼通道，是一种保护鱼表孑L和底孑L，适用于喜欢在中、底层洄游的中、大型类资源的重要工程设施zJ。鱼类；竖缝式鱼道水流通过隔板的竖缝下泄，类似射鱼道按其隔板形式可以分为横隔板式鱼道、丹流，可利用池内水流的对冲作用消能，一般适用于能尼尔式鱼道、涵洞式鱼道和仿自然式鱼道4种。横适应较复杂流态的大、中型鱼类，且常用于施工期及隔板式鱼道是一种国内应用最广泛的鱼道，它又可天然障碍处过鱼，其结构简单，能适应较大变幅的水以分为堰流式鱼道、淹没孑L口式鱼道、竖缝式鱼道和位，过鱼效率较高，加拿大、美国等众多国家较多采用组合式鱼道4种。堰流式鱼道在水槽内间隔一定距了这种形式；组合式鱼道是堰流式、淹没孔口式和离布置溢流堰式的挡墙，堰顶可以采取不同的形式，竖缝式3者组合的鱼道，能够较好地发挥这3类鱼道基金项目：水利部公益性行业科研专项(201201030)作者简介：汪红波(】987一)，女，湖北红安人，硕士研究生，主要从事鱼道及其他过鱼设施研究。E-mail：wang?,010bobo@126．com通信作者：王从锋(1974一)，男，山东曹县人，教授，博士，主要从事鱼道与生态混凝土材料研究。E-mail：wangcf@ctgu．edu．cn水利水电科技进展，2013，33(5)Tel：025—83786335E-mail：@hhu．edu．cahttp：／／kkb．hhu．edu．ClZ·47· 的优点，具有较好的水流条件，过鱼效果良好。维设计模型如图1(a)所示，由3孔a型隔板(图2鱼道内水流条件的好坏是鱼道设计成功与否的(a))和3孔b型隔板(图2(b))相邻交错布置而成。关键，加拿大阿尔伯特大学的Pueaas等对竖缝式设计模型过鱼池隔板间距为2．6m，休息池隔板间距鱼道的流场结构进行了试验研究，发现当鱼道各级为5．2m。过鱼池底坡为2％，休息池底坡为0，间隔水池的长宽比为10：8时可以获得较稳定的流态。10级过鱼池布置1级休息池。鱼道的设计流速为Ead等和Yagci分别对堰流式和淹没孔口式鱼0．4—0．8m／s，池室设计水深为0．6～2．5m。根据道的水力特性进行了研究，发现当流量和堰上水头已调查的汉江洄游性鱼类、半洄游性鱼类现状，结合较小时，鱼道内水流为暴跌流，水流经过堰顶跌向池兴隆水利枢纽工程特点，主要过鱼对象的过坝时段底，在水池中部垂直面上形成逆时针漩涡；当流量和为每年的5—8月，主要过鱼对象为洄游性鱼类鳗堰上水头较大时，鱼道内水流为连续流，堰上水流大鲡、长颌鲚的亲体和成体，半洄游性鱼类草鱼、青鱼、部分在表面流动，水池中部水流在垂直面上形成顺鲢、鳙、铜鱼、鳝、鳃等的亲体和成体。取A、B2种模时针漩涡。我国对鱼道水力特性的研究起步较晚，型(图1(b)(c))作为设计模型数值模拟计算的参徐体兵等驯对竖缝式鱼道的水力特性进行了研究，照模型，池室尺寸与设计模型一致，仅隔板形式不认为隔板导角对竖缝式鱼道的流态有较明显的影响，同。A模型由3孔a型隔板相邻隔板孔口同侧布置导角越大主流衰减越决，弯曲程度越大。本文在文献而成，B模型由2孔式隔板(图2(c))相邻隔板孔口[10]的基础上，对兴隆水利枢纽工程淹没孔口式鱼道异侧布置而成。图2为隔板尺寸详图，3孔式a型的水力特性进行初步研究，深入分析3种不同孔口布隔板和3孔式b型隔板底部小孔位置相同，大孔位置的淹没孔口式鱼道的水力学特性。置相反，大孔尺寸为100cmX100cm，小孑L尺寸为30cmx30cm；2孔式隔板上下异侧布置2个大孔，孔1物理模型口尺寸均为80cmx80cmo位于汉江中下游河段湖北省潜江、天门市境内的2数学模型兴隆水利枢纽工程的开发任务主要是灌溉和航运，兼顾发电。兴隆水利枢纽工程鱼道是一种典型的淹没2．1控制方程孔口式鱼道，宽2m，隔板厚0．2m、高2．5m，开有3本文研究的问题属于不可压缩流体的湍流流孔，上部布置1个大孔，下部布置2个小孔，其局部三动，数值模拟选用RNGk-e湍流模型，采用VOF模(a)设计模型(b)A模型(c)B模型图13种模型的局部三维示意图(a)3孔a型隔板(b)34Lb型隔板(C)2孔式隔板图2隔板尺寸(单位：cm)·48·水利水电科技进展，2013，33(5)z：025—83786335E—mail：矗@hhu．edu．cn印：／／kkb．hhu．edu．Cn 孔的最大流速分别为1．35m／s、1．20m／s，下游隔板布置大孔比布置小孔流态好；堰流比淹没出流流态2小孔的最大流速均为1．35m／s，不利于鱼类上溯。稳定。因此，B模型流态较好。参考文献：3．2消能效果对比各种水域中广泛存在不同程度的紊流流态(如[1]刘志雄，周赤，黄明海．鱼道应用现状和研究进展[J]．各种漩涡、小尺度紊动、回流等)，紊流剪切应力会长江科学院院报，2010，27(4)：28—31．(LIUZhixiong，ZHOUChi，HUANGMinghai．Situationanddevelopment对鱼类造成各种各样的伤害，如击坏眼睛，扭伤身offishwayresearchandapplication[J]．JournalofYangtze体，使鱼类迷失方向，导致平衡能力下降，不易躲避RiverScientificResearchInstitute，2010，27(4)：28-31．其他肉食动物的捕食等，因此，紊动能及紊动能(inChinese))耗散率是鱼道水力特性研究的重要指标。紊动能是[2]KAMULAR，BARTHELJ．Effectsofmodificationsonthe反映水流因紊动而引起的能量损失的重要指标，紊hydraulicsofDenilfishways[J]．Borealenvironment动能耗散率是紊动能转化成分子热运动动能的速research，2000，5(1)：67-79．率，紊动能不变，紊动能耗散率越大，消能效果越好。[3]RAJARATNAMN，KATOPODISC．HydraulicsofDenil由表1可知，兴隆水利枢纽工程鱼道设计模型与Afishways[J]．JournalofHydraulicEngineering，1984，110模型相比，上层孔口同侧布置(A模型)紊动能为(9)：1219—1233．0．0940～0．1150m／s，是异侧布置(设计模型)的9[4]王兴勇，郭军．国内外鱼道研究与建设[J]．中国水利水电科学研究院学报，2005，3(3)：222-228．(WANG倍多，但紊动能耗散率比异侧布置小；下孔层2种指Xingyong，GUOJun．Briefreviewonresearchand标相差不大，说明相邻隔板孔口异侧布置比同侧布constructionoffishwaysathomeandabroad『J]．Journalof置消能效果好。A模型与B模型相比，上孔层紊动ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropower能大小相近，但紊动能耗散率相差较大，B模型的紊Research，2005，3(3)：222-228．(inChinese))动能耗散率约是A模型的2倍，B模型下层孔口水[5]PUERTASJ，PENAL，TEIJEIROT．Experimental流受上层孑L口水流影响，紊动能比上层孔口大，紊动approachtothehydraulicsofverticalslotfishways[J]．能耗散率也大。CanadianMetallurgicalQuarterly，2004，130(1)：lO一23．表13种模型紊动能及紊动能耗散率最大值[6]EADSA，KATOPODISC．FlowregimesandstructureinpoolandweirfishwaysfJ1．JournalofEnvironmentalEngineeringandScience，2004．3(5)：379-390．[7]YAGCIO．Hydraulicaspectsofpool—weirfishwaysasecologicallyfriendlywaterstructure[J]．EcologicalEngineering，2010，36(1)：36-46．[8]徐体兵，孙双科．竖缝式鱼道水流结构的数值模拟[J]．水利学报，2009，40(11)：1386—1391．(XUTibing，SUNShuangke．Numericalsimulationoftheflowstructureinverticalslotfishway[J]．JournalofHydraulic4结论Engineering，2009，40(11)：1386-1391．(inChinese))a．兴隆水利枢纽工程鱼道结构设计较优，选择[9]罗小凤，李嘉．竖缝式鱼道结构及水力特性研究[J]．长了较好的孔口尺寸和孔口位置，使紊动能较小，紊动江科学院院报，2010，27(10)：50—54．(LUOXiaofeng，LIJia．Studyonstructureandhydrauliccharacteristicsof能耗散率比A模型大，消能效果良好。b．A模型流态较顺直，但大孔层流速大于vertical—slotfishway[J]．JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstitute，2010，27(10)：50·54．(in0．8m／s的区域面积约占整个过鱼池面积的1／2，不Chinese))利于鱼类上溯。小孔层大流速区面积也比兴隆水利[10]汪红波，王从锋，刘德富，等．横隔板式鱼道水力特性数枢纽工程鱼道小孔层的大。值模拟研究[J]．水电能源科学，2012，30(5)：65-68．c．从流速方面看，B模型下孔层优于设计模(WANGHongbo，WANGCongfeng，LIUDefu．eta1．Study型；从消能效果上看，B模型上孔层优于设计模型。onnumericalsimulationofhydrauliccharacteristicsofd．相邻隔板孔口异侧布置比同侧布置消能效transversediaphragmplatefishway[J]．WaterResources果好，大流速区(>0．80m／s)面积小，可以减小鱼类andPower，2012，30(5)：65-68．(inChinese))上溯的流速障碍；上、下层孔口水流相互影响，下层(收稿日期：2012—11～2O编辑：熊水斌)水利水电科技进展，2013，33(5)Tel：025—83786335E-mail塘@hhu．edu．cnhttp：／／kkb．hhu．edu．orb·51·'