基于数值模拟和物理模型试验的某工程集鱼系统水流条件研究

訾 娟，何晓萌，李桂青，何 霞

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.天津市排水管理事务中心，天津 300202）

1 工程概况

某工程坝下集鱼系统布置在消力池挡墙末端河道束窄处，主要由诱鱼进口段、鱼道式进口段、集鱼通道、集鱼池、集鱼斗等组成。集鱼通道采用敞开式通道，通道中不设置挡板，长约10 m，宽2 m，采用钢筋混凝土结构，边墙混凝土厚1.5 m，底高程为843.60 m。集鱼系统进口采用一股流速较高的水流吸引鱼类，鱼类经进鱼口进入集鱼通道后，通过拖拽格栅将鱼类引导至集鱼池中，集鱼池底部的提升装置提升鱼类和水，将鱼集中在集鱼斗中，通过专用吊具将集鱼斗提出集鱼池。在进鱼口后设置防逃装置，防逃装置和进鱼口均采用不锈钢网状结构，以防止鱼类逃脱。集鱼系统体型，如图1所示。

图1 集鱼系统剖面（单位：m）

2 研究方法和技术路线

研究通过采用数值模拟计算和物理模型试验相结合的综合技术手段开展。建立集鱼系统三维紊流数学模型，对集鱼系统及下游河道流场进行分析，在此基础上开展集鱼系统整体物理模型试验，对集鱼系统内水力特性进行研究。数值模拟计算和物理模型试验工况一致，详见表1。

表1 数值模拟计算和物理模型试验工况

2.1 数学模型

本次数值模拟计算区域主要包括电站尾水、集鱼系统以及下游河道。计算区域首先采用大小为0.2 m的网格进行划分，在集鱼系统位置对网格局部加密，网格大小为0.1 m，网格划分采用笛卡儿正交结构网格，由于集鱼流量较小，水位较低，因此网格最大高程设为846 m，有效网格总数约385万个，计算模型与网格划分如图2所示。计算模型在电站及生态基流出口位置设置上游进口边界，进口边界条件设为流速进口边界，进口流速大小根据相应工况的流量计算得出，在坝后桩号0+280位置设置下游出口边界，出口边界条件设为压力边界，水位高程为对应工况的下游水位，固体边界采用无滑移条件，液面为自由表面。计算初始时刻在计算区域设置初始水体，水体表面高程与下游水位对应，以加快水流的稳定，流体设置为不可压缩流体。

图2 计算模型与网格划分

2.2 物理模型

根据试验研究内容及模型相似性，综合试验场地及供水条件，确定模型为正态模型，几何比尺为10。水流运动主要作用力是重力，因此模型按重力相似准则设计，保持原型、模型佛汝德数相等。凤山集鱼系统整体模型包括电站及生态放水管出口、集鱼系统、消力池边墙及下游河道（河道至坝下桩号0+250），上述模拟范围足以消除模型边界对库区水流影响，保证模型的可靠性。下游水位控制点位于坝下桩号0+200。模型布置，如图3所示。

图3 模型布置示意

3 数值模拟计算结果

3.1 集鱼通道流速分布

在集鱼通道内沿水流方向布置9个流速测量断面，每个断面布置3个流速测点，共布置27个流速测点，相邻断面间距2.0 m，同一断面相邻测点间距0.8 m。测点布置，如图4所示。

各工况下，集鱼通道内流速分布较为均匀，流向顺直，水流自集鱼系统上游进口流入，经圆孔隔板进入集鱼通道，再由防逃笼和进鱼口网格流出。在流量14.45 m3/s工况下，集鱼通道内流速大小分布在0.552～0.821 m/s，最小流速 0.552 m/s，最大流速0.821 m/s，平均流速0.693 m/s。集鱼通道内左、中、右3列测点流速沿程变化曲线，如图5所示。由图5可知，流速沿程变化不大，集鱼通道内中间流速大于左侧和右侧流速。

图4 集鱼通道流速测点分布（单位：m）

图5 流量14.45 m3/s工况下集鱼通道流速沿程分布（高程844.70 m）

3.2 进鱼口及下游河道流速分布

在进鱼口及下游河道沿水流方向布置6个流速测量断面，共布置39个流速测点。测点布置，如图6所示。

由于桩号0+146.26处过流宽度最小，15～21#测点流速较大。受集鱼通道水流和通道外水流冲撞汇合影响，桩号0+138.13处右+3.0测点流速较小。流量14.45 m3/s工况下，桩号0+138.13、0+141.13、0+146.26断面最大流速分别为 0.735、0.738、0.754 m/s。

桩号0+150.00、0+175.00、0+200.00各测点位置流速沿高程变化不大，由于水流自集鱼平台及其两侧向下游扩散，靠近左岸位置流速明显大于右岸，水流沿左岸边墙扩散，并在下游形成回流。流量14.45 m3/s工况 下，桩号 0+150.00、0+175.00、0+200.00断面最大流速分别出现在25、31、38#测点，最大流速分别为0.692、0.669、0.617 m/s。

图6 进鱼口及下游河道流速测点分布

3.3 集鱼系统及上下游河道水深分布

集鱼系统及上下游河道的水面高程变化较小，在集鱼系统以及下游河道回流中心位置水面略有降低，流量14.45 m3/s工况下集鱼平台内水深在2.13～2.15 m波动。

4 物理模型试验成果

4.1 集鱼通道流速分布

各工况下集鱼系统上游进水口水面平稳，水流流态较好，水流进入集鱼系统后断面流速均匀分布。集鱼通道至下游进鱼口水流流线顺直、流态较好，水面平稳，流速横向分布对称均匀，无漩涡、回流等不利流态产生。流量14.45 m3/s工况下，集鱼系统沿程流速分布如图7所示，集鱼通道内各测点平均流速为0.517～0.602 m/s，各测点沿垂向表、中流速变化不大，均略大于底流速。

4.2 进鱼口及下游河道

各工况下水流经过集鱼系统后与左侧过水通道水流交汇冲撞，在进鱼口左侧边墙下游侧流速略小。桩号0+146.26断面后水面扩宽，主流偏向左岸，流速沿程逐步降低；右侧水流掺混扩散较快，水流分层现象明显，流速显著降低，有一个大范围的静水区。流量14.45 m3/s工况下，进鱼口及下游河道沿程流速分布如图8所示。6个测流断面（桩号0+138.13、0+141.13、0+146.26、0+150.00、0+175.00、0+200.00）的最大流速分别为 0.601、0.623、0.579、0.686、0.702、0.689 m/s。

图7 流量14.45 m3/s工况下集鱼通道沿程流速分布

图8 流量14.45 m3/s工况下进鱼口及下游河道沿程流速分布

5 结语

由数值模拟计算和物理模型试验成果可知，各工况数模计算流速变化规律与物理模型实测值基本一致，但数值模拟计算流速值均略大于物理模型实测值，初步考虑存在差异的原因为数值计算边界简化模拟和物理模型试验边界控制不稳定。数值模拟计算成果与整体物理模型试验成果在水流流态、流速分布和集鱼系统内水流水位等方面基本一致，可作为设计参考依据。