枢纽鱼道建筑物数值模拟试验研究

2016-12-24钟泳成湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市410007

湖南水利水电 2016年4期

李程钟泳成（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市 410007）

枢纽鱼道建筑物数值模拟试验研究

李程钟泳成
（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市 410007）

鱼道能够帮助恢复鱼类和其它水生生物物种在河流中自由洄游，能够减缓大坝阻隔的影响。鱼道的设计可以使用数学模拟的方法进行研究，基于仿真软件ANSYS强大的计算功能和前后处理能力，基于ANSYS软件FLUENT模块综合三维紊流数学模型，对长沙鱼道推荐方案鱼道池室进行计算，鱼道最大流量为1.21 m3/s，满足鱼类洄游条件；进鱼口流速大于0.2 m/s，达到鱼类的感应流速，集鱼渠内流向明确，稳定，无倒流，满足设计要求。

鱼道数值模拟 E型隔板流态研究

1 研究背景

我国是水资源大国，河流众多，为了防洪、发电、供水和通航等需要在江、河中进行的筑坝，修建的堰、坝会改变上、下游水文条件，使河流生态环境连续性中断，阻断鱼类自由迁徙，对需要进行大范围迁移的洄游性或半洄游性鱼类会产生毁灭性的灾难，对鱼类自然种群产生深远的负面效应，国内外保护措施主要有：人工增殖放流、水库生态调度、建立鱼类保护区以及修建过鱼设施，国内以修建过鱼设施和开展人工增殖放流最为常见，其中鱼道是最常见的过鱼设施。

鱼道对于减缓大坝的阻隔影响，帮助恢复鱼类和其它水生生物物种在河流中自由洄游具有重要的意义。鱼道工程措施的有效运行是保持河流纵向连通性的重要技术手段之一。以长沙综合枢纽鱼道工程设计为例，通过对水生态环境进行调查、比选鱼道型式、计算水力学参数，使用数值模拟试验验证，主要研究内容有：（1）鱼道进水口水流流态和流速的分布优化；（2）鱼道内部流量、流速、水深和流态的有效控制。在充分认识、了解鱼道研究和建设发展历程的基础上，通过数值模拟的方法优化鱼道的设计，改进保护方法与措施，提高鱼道设计水平，大幅加强过鱼有效性，以期发挥鱼道的最大效益。对于保护河流生态、促进水利可持续发展具有重要意义。

2 流体力学的计算原理

考虑水流为不可压缩流体，采用双方程紊流模型，控制方程为：

连续方程：

式中 t——时间；

ui——速度分量;

xi——坐标分量；

v——运动粘性系数；

P——修正压力；

τij——应力张量，定义

pgi——重力体积力；

μt=pvt=pcuk2/ε——紊动动力粘性系数；

εij——Kronecker delta符号；

经验常数 cu=0.09，σk=1.0，σε=1.33，C1ε=1.44，C2ε=1.42；

Gk——平均速度梯度引起的紊动能产生项，

自由表面采用VOF（The Volume of Fluid）方法，在空间上定义函数F，全含水为1，不含水为0，当为自由表面时，0＜F＜1；函数F是空间和时间的函数，即F=F（x，y，z，t），固结在流体质点上并随流体一起运动的没有质量和粘性的染色点的运动，输运方程为：

将上式写成如下的通用形式：

式中 t——时间；

uj——速度矢量；

φ——通用变量，如速度、紊动能等；

Гφ——变量φ的扩散系数；

Sφ——方程的源项。

计算时，首先在任意控制体积CV（其边界为A）作体积分，利用高斯定理将体积分化成面积分。记F（φ）=pφu-Γφgradφ，可得到有限体积法（FVM）的基本方程，写成：

式中 F（φ）□n——法向数值通量。

对控制体积单元取平均后，可离散得到FVM基本方程的最终形式为：

式中 △V——单元体积；

M——单元面总数；

Aj——单元面j的面积；

上游进口和下游出口计算边界分别采用自由面水位作为其边界条件；壁面采用 Launder& Spalding的壁面函数条件，进出口的紊动能K和耗散率ε由下列经验公式得出：

式中 L——紊流特征长度[3]。

3 工程应用与分析

3.1 工程概况

鱼道的设计不仅可以使用物理模型进行试验研究，同时也可以使用数学模拟的方法进行研究，对水力学局部模型E型隔板1∶69底坡试验方案进行验证，分析集鱼、补水系统是否会产生回流，是否满足设计要求。针对鱼道力学计算需求，基于计算机的仿真软件ANSYS强大的计算功能和前后处理能力，基于ANSYS软件FLUENT模块综合采用三维紊流数学模型，对长沙鱼道推荐方案（E型隔板＋1∶69底坡）的鱼道池室三维水流条件进行计算。

3.2 模型构建

数学模型计算区域包括5块隔板，鱼道槽身计算长度总长27.0 m，由于隔板型式较为复杂，计算区域采用四面体进行网格划分（图1、图2）。