环形波纹钢管涵洞式鱼道水力特性数值模拟

刘桐渤，闫 滨，王铁良

(1.大连市庄河市水务局,辽宁大连 116400；2.沈阳农业大学水利学院,沈阳 110866)

环形波纹钢管涵洞式鱼道水力特性数值模拟

刘桐渤1，闫 滨2，王铁良2

(1.大连市庄河市水务局,辽宁大连 116400；2.沈阳农业大学水利学院,沈阳 110866)

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 m3/s,3种埋深0D,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。

数值模拟；水力特性；鱼道；波纹钢管涵洞；粗糙度；高流速区；高紊流区

2015,32(11):25-29,39

1 研究背景

大多数鱼类都有在一定季节溯流而上迁移洄游的习性,这对于维持鱼类种群和所处生态系统的稳定至关重要。因而,在鱼类栖息的河流与道路、堤防或其他溪流交汇处,常修建涵洞等交叉建筑物。

国外涵洞的设计一方面要求满足输水需求,另一方面必须保证鱼类顺利通过涵洞[1]。在加拿大,涵洞式鱼道设计准则是获得设计条件下涵洞内特定的平均流速,且该流速不得超过当地鱼类物种的游泳能力[2]。波纹钢管涵洞过水断面的大部分区域水流流速低于平均流速,适合鱼类上溯洄游[3]。特别是波纹钢管中波纹的粗糙度可以在边界附近产生足够低的流速,即使涵洞内的平均流速超出了鱼种的游泳能力,鱼类仍然可以由此游向上游[4]。因而,波纹钢管涵洞式鱼道在国外应用十分广泛,过鱼效果也比较理想。

适宜的水深、流速和紊流条件是辅助鱼类顺利通过鱼道完成洄游的必要条件。将涵洞进口内底置于正常河床高程以下(嵌入式涵洞)或使涵洞在回水条件下运行(淹没式涵洞)可大大降低涵洞内的水流流速,显著增加涵洞内低于平均流速的过水断面面积,改善过鱼条件[1]。若鱼道内水流紊动过大,鱼类将会迷失方向,体能消耗过快,从而无法顺利上溯[5]。常用紊动能、紊流强度等来描述紊流。Hunt等[6](2010)分析了环形波纹钢管涵洞内的紊动能分布,发现横断面内最大紊动能位置与顺水流向低流速区域的位置密切相关；涵洞进口附近紊动能显著大于流场充分发展区域的紊动能。Abbs等[1](2007)研究发现,环形波纹钢管涵洞在边界附近紊流强度较高,而水流中心区域紊流强度较低。最大紊流强度出现在涵洞进口过水断面的上角偏下游处[7]；尽管这些区域的局部紊流强度值很高,当水流加速流入涵洞时,仍有一个很大的低紊流强度的中央核心区域；涵洞内底嵌入河床不会降低涵洞进口处的紊流强度峰值,但是在距离进口约一倍洞径以外紊流强度有所减小。Enders等[8]发现紊流强度会影响鱼类游泳的消耗。试验表明,紊流强度的影响约占幼鲑游泳总消耗的14%；随着水温、鱼体质量、平均流速和流速标准差的增加,幼鲑游泳总消耗量也在增加[9]。Smith等[10]利用幼年虹鳉鱼进行试验研究,发现在一定平均流速范围内,鱼类乐于聚集在低紊流区域；鱼类常避开紊流强度较高的低流速区域；只有出现过大的平均流速时,鱼类才会占据高紊流区。

波纹钢管涵洞在我国高速公路(如青藏公路)、铁路、堤坝输水和旧桥涵加固中已有应用,但尚未考虑兼做鱼道使用。我国常用混凝土管或钢筋混凝土管作为河道交叉建筑物,涵洞设计仅以满足过流能力为准则,尚未考虑过鱼需求。此种涵管的长期使用会对水体产生腐蚀作用；且其内壁粗糙度不够,流速过大,必将严重阻碍鱼类洄游。而波纹钢管涵洞造价低、材质轻、强度高、寿命长、耐腐蚀、低碳环保、施工安装便捷,且适于通车,因此在欧美等国家应用非常广泛。我国鱼道的主要过鱼对象为珍贵鱼类、鲤科鱼类和虾蟹等。波纹钢管涵洞内波纹附近流速较低,适合我国鱼类通行。随着国家对生态环境保护措施扶持力度的不断增强,波纹钢管涵洞式鱼道在我国必将有广阔的应用前景。

目前,国内对波纹钢管涵洞式鱼道水力特性的研究比较少见。本文利用数值模拟方法,分析直径500 mm的环形波纹钢管涵洞在3种流量、3种埋深情况下,随着水流向下游推进,鱼道内的水面线变化,以及无量纲流速和紊流强度的沿程分布,藉此深入剖析波纹钢管涵洞内水流的水力特性和鱼类的生存环境,以便采取适宜的措施改善鱼类生活环境,为维持水生态系统平衡,实现人与自然的和谐共处创造条件。

2 数值模拟控制方程及模型

本文采用标准k-ε紊流模型建立波纹钢管涵洞式鱼道的数学模型,对波纹钢管涵洞式鱼道内的水流进行三维数值模拟。

2.1 标准k-ε紊流模型控制方程组

采用标准k-ε模型求解流动及换热问题时,控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、k方程和ε方程等。若不考虑热交换的单纯流场计算问题,则不需要包含能量方程。若考虑传质或有化学变化的情况,则应再加入组分方程。这些方程都可表示成如下通用形式:

使用散度符号,上式记为

式中:ø为通用变量,可以代表u,v,w,T等求解变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

三维直角坐标系下,与通用形式(1)对应的k-ε模型的控制方程见表1。

2.2 VOF模型

水流进入涵洞后,由于过水面积变小,水流流态发生变化,水流在横向、纵向和垂向都具有水流流速,水流与空气的接触面积特别大,流动属于典型的水气两相流。VOF模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的体积分数来模拟2种或3种不能混合的流体。因此在本文计算中采用VOF模型来处理水气交界面。VOF模型的控制方程如下所示。

通用控制方程:

连续性方程:

动量方程:

能量方程:

表1 通用形式k-ε模型的控制方程Table 1 Control equations of k-ε model corresponding to the general form

2.3 模型网格与边界条件

该数值模拟模型采用直径为500 mm,长度为8 m,波纹尺寸为68 mm×17 mm的波纹钢管,在3种埋深,1种坡度和3种流量下分别进行数值模拟。即:①坡度为0.4%；②埋深为无埋深(0D)、0.1D埋深、0.2D埋深,其中D为涵洞直径；③流量为0.05, 0.07,0.09 m3/s。

鱼道的结构布置见图1。鱼道顶端有开孔,因此可以满足通行鱼类对光线的要求。

图1 鱼道结构布置Fig.1 Structural layout of the fishway

模型网格采用线、面、体的顺序进行划分, Interval size的值分别设置为40,1 600,640 000 mm。

在边界条件设置时,将波纹钢管涵洞进口有水流部分设置成流速进口,涵洞进口空气部分和涵洞内水流上部切面设置为压力进口,涵洞出口部分设置为压力出口。

3 数值模拟结果与分析

依据上述数值模拟模型,对不同工况下波纹钢管涵洞式鱼道内的水面线、流速场和紊流场进行了数值模拟,并对模拟结果进行了分析。

3.1 水面线

流量0.05 m3/s,坡度0.4%,埋置深度分别为0D,0.1D和0.2D情况下,涵洞内纵向中心剖面水面线见图2。

由图2(a)知,在流量和坡度相同,不同埋置深度的情况下,涵洞内水面线的走势大致是相同的。3种工况下,水流在进入涵洞后,水面线均下降,在距离涵洞进口0.5 m处左右的位置水面线开始回升,并且,在距离涵洞进口4 m处左右,水面线趋于稳定,涵洞内水流流态稳定,呈均匀流流态,并在涵洞出口处自由出流。

图2 不同埋深情况下涵洞内水面线比较(流量0.05 m3/s，坡度0.4%)Fig.2 Water levels in the culvert of different embedded depths(flow rate 0.05m3/s，slope gradient 0.4%)

由图2(b)知,在流量和坡度相同的情况下,嵌入式涵洞进口处水位雍高了。由于涵洞内水流流量不变,水位雍高后,过水断面面积增加,相应地,涵洞内平均流速降低。可见,流量和坡度一定的情况下,嵌入式涵洞比无埋深式涵洞,更利于鱼类上溯洄游。

涵洞无埋深(0D),坡度0.4%,流量分别为0.05, 0.07,0.09 m3/s情况下,涵洞内水面线见图3。其中粗实线,细实线和点划线分别对应流量0.05, 0.07,0.09 m3/s。

图3 不同流量情况下涵洞内水面线比较(埋深0D，坡度0.4%)Fig.3 Water levels in the culvert at different flow rates (non-embedded，slope gradient 0.4%)

由图3可知,在涵洞坡度和进口埋深一定的情况下,流量越大,涵洞进口处水深也越大,涵洞内水面线也越高。

3.2 沿涵洞纵向各断面无量纲流速等值线云图

为突出显示涵洞内流速较大(流速大于平均流速)区域,将断面内的流速值与正常水深下涵洞内的流速值相比,就得到涵洞纵向各断面无量纲流速等值线云图。

流量0.05 m3/s,坡度0.4%,无埋深和0.1D埋深的涵洞内,与进口不同距离x处各断面无量纲流速等值线云图见图4。

图4 不同埋深情况下涵洞沿程横断面无量纲流速等值线云图(0.05 m3/s，0.4%)Fig.4 Contours of dimensionless flow velocity at cross sections along the culvert of different embedded depths (flow rate 0.05m3/s，slope gradient 0.4%)

由图4可见,相同流量和坡度时,无埋深(0D)和0.1D埋深涵洞对比,后者水位明显壅高,边壁附近无量纲流速明显降低,较高流速(无量纲流速v＞0.9)区域面积显著减小。可见,将涵洞进口埋置于天然河床高程以下形成嵌入式涵洞,可以有效地降低涵洞内的水流流速,尤其是边壁附近的流速,改善涵洞内的水流流态,有利于鱼类的上溯洄游。

对嵌入式涵洞(图4(a2至d2)),相同流量和坡度情况下,顺水流方向,涵洞内无量纲流速较大区域(v＞0.9)的面积逐渐减小,涵洞边壁附近低无量纲流速区域面积逐渐增大,鱼类可以由此游向上游。

对无埋深涵洞(图4(a1至d1)),高无量纲流速区占据了过水断面的大部分区域,仅在边壁附近还存在较小范围的低流速区；从涵洞进口到断面x=1.5 m处,在水面附近存在流速较低区域。自断面x=4 m处之后,无量纲流速等值线云图几乎不发生变化,表明涵洞内流态已趋于稳定。

对嵌入式涵洞,从进口起涵洞边壁及水面附近水流流态充分发展,至断面x=1.5 m处,水流流态渐趋平稳；自断面x=4 m处之后,涵洞内水流稳定,进入均匀流流态。

3.3 沿涵洞纵向各断面紊流强度分布

流量0.05 m3/s,坡度0.4%,无埋深和0.1D埋深的涵洞纵向各断面紊流强度等值线云图见图5。

图5 不同埋深情况下涵洞沿程横断面紊流强度等值线云图(0.05 m3/s，0.4%)Fig.5 Contours of turbulence intensity at cross sections along the culvert of different embedded depths (flow rate 0.05m3/s，slope gradient 0.4%)

由图5可见,对于嵌入式涵洞,在进口处高紊流区位于涵洞过水断面的左上方,随着水流向下游推移,水流流态不断发展,高紊流区逐渐向右、向上偏移,面积不断扩大,到x=1 m断面以后,高紊流区稳定分布在水面中心位置。

对于无埋深的涵洞,仅在进口附近(x=0.25 m)高紊流区位于水面中心偏右方,之后,随着水流向下游推移,高紊流区稳定分布在水面中心位置。

不论进口有无埋深,沿涵洞纵向向下游,涵洞底部低紊流区(i＜0.1)的面积均在不断扩大。直至断面x=4 m处,低紊流区面积逐步趋于稳定。沿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,鱼类可以由此顺利完成上溯。

从涵洞进口到断面x=2 m处,有、无埋深涵洞在过水断面上部紊流强度变化梯度差别不大；但从断面x=3 m处起,嵌入式涵洞过水断面上部紊流强度变化梯度明显缓于无埋深式涵洞,即紊流变化较为平缓。这表明,涵洞进口嵌入河床高程以下可能会对4倍洞径以后的涵洞内紊流流态有所改善。

0.1D埋深情况,顺水流方向,紊流强度在x=1 m处达到最大,imax=0.23；高紊流区面积(i≥0.2)在该处也达到最大。之后,较高紊流区面积逐渐减小,在x=3 m断面附近高紊流区面积最小。然后,高紊流区面积又有所回升,直至断面x=6 m以后,较高紊流区面积才逐步趋于稳定。

对无埋深(0D)涵洞,从进口到x=0.75 m断面附近,高紊流区(i≥0.2)面积逐渐增大。从x= 0.75 m断面以后,高紊流区面积逐渐减小,在x=2 m处达到最小值。之后,高紊流区面积又逐渐扩大,直至x=6 m断面以后,紊流才逐步趋于稳定。

从涵洞进口到断面x=2 m处,无埋深涵洞(0D)低紊流区(i≤0.1)面积大于0.1D埋深的涵洞。而在断面x=3 m以后,正好相反,0.1D埋深涵洞内低紊流区(i≤0.1)面积大于无埋深(0D)涵洞情况,有利于鱼类的洄游。这再次表明,嵌入式涵洞对4倍洞径以后的涵洞内紊流流态会有所改善。

4 结 语

本文通过数值模拟分析了不同流量、埋深工况下,环形波纹钢管涵洞式鱼道内的水面线变化、流速沿程分布以及紊流强度在进出口及洞身的变化趋势。研究结果表明,涵洞式鱼道过水断面中心区域流速较高,紊流强度较低；水面中心附近紊流强度较高,水流流速较低。而在涵洞底部边壁附近,流速较小,紊流强度也较低,最适合作为鱼类上溯洄游的通道。与无埋深式涵洞相比,嵌入式涵洞内平均流速较小,紊流强度的变化也比较平稳,有利于鱼类的洄游。但嵌入式涵洞仅对4倍洞径以后的涵洞内紊流流态有所改善。

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(编辑:刘运飞)

Numerical Simulation on Hydraulic Characteristics of Culvert Fishway with Annular Corrugated Steel Pipe

LIU Tong-bo1,YAN Bing2,WANG Tie-liang2
(1.Water Affairs Bureau of Zhuanghe of Dalian City,Dalian 116400,China；2.College of Water Conservancy,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866,China)

The roughness of annular corrugated steel pipe fishway could generate sufficiently low flow velocities near the boundary,which facilitates fishes to immigrate towards the upstream.In this paper,the water surface line,flow velocity field,and turbulent flow field in the annular corrugated steel pipe culvert fishway are simulated under different conditions(flow rate 0.05 m3/s,0.07 m3/s and 0.09 m3/s,embedded depth 0D,0.1D and 0.2D,and slope gradient 0.4%).Results show that high velocity field(dimensionless velocity greater than 0.9)is located in the central area of the cross section of the culvert,and high turbulent flow field(turbulence intensity greater than 0.2) is located near the central area of the water surface.In large areas near the side walls of culvert bottom,due to relatively low velocity,the turbulence intensity is relatively low(less than 0.1)and fishes could complete migration using this passage.Compared with non-embedded culverts,the embedded culvert has lower average velocity and gentle variation of turbulence intensity,therefore it is more conducive to fish migration.

numerical simulation；hydraulic characteristics；fishway；corrugated steel pipe culvert；roughness；high velocity field；high turbulent flow field

TV135；X171.4

A

1001-5485(2015)11-0025-05

10.11988/ckyyb.20140304

2014-04-21；

2014-07-02

辽宁省农业攻关计划项目(2012212001)

刘桐渤(1987-),男,辽宁鞍山人,助理工程师,硕士,从事水工结构工程相关方面的研究,(电话)15804269289(电子信箱) 15040330981@163.com。