不同开孔数量对鱼巢砌块水力特性的影响研究

叶昆河，韩 雷，王正君，苏国青，李树航，狄高健

(1.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

传统城市河道硬质护岸工程既限制了河流侧向连通性和垂向连通性，又阻碍了陆地与水域之间物质、能量、信息流动和传播，因此物种流、信息流和物质流-3流连续性被破坏，故修复河流生态物种多样性和保护水生态完整性迫在眉睫[1-4]。近年来，鱼巢砌块作为一种具有防洪、岸坡稳定、防治水土流失、景观和保护水生生物等功能的新型生态护岸构件受到人们广泛的关注[5]。国内外研究表明，大多数鱼类游泳行为与流速、水流紊动能息息相关[6-13]。而且鱼巢砌块水力特性随着鱼巢砌块结构形式的变化而变化，可满足不同流域中不同品种、不同生长期的水生生物对栖息地水力特性的要求[14]。因此，鱼巢砌块内部水力特性的研究具有非常重要的理论意义和实用价值，可为鱼巢砌块的结构设计与优化提供科学的理论依据。牧平朋大[15]通过水力学实验研究了鱼巢砌块内部大致的流程和开口部位的物质交换机制。山本貴則[16]通过水力学实验研究了鱼巢砌块开口部位的紊流结构。中島央晶[17]验证了在鱼巢砌块与河流的交界处出现的紊流剪切层中形成旋涡的特性。黒川昇平[18]通过数值模拟给出了3种开口形状的鱼巢砌块数值模拟结果，并研究了其水力特性。之后，黒川昇平[19]又通过数值模拟研究了鱼巢砌块开口部位以内的水面振动特性、流速变化特性、河流与鱼巢砌块之间的流体交换特性。陈兴茹[20]通过模型试验与数值模拟相结合的方式研究了不同工况下鱼巢砌块内部的流场和流态。在目前已有的鱼巢砌块水力特性研究成果中，开孔数量对鱼巢砌块水力特性影响的报道很少。为研究开孔数量对鱼巢砌块水力特性的影响，本文以鱼巢砌块为研究对象，通过数值模拟的方法对鱼巢砌块内部的流速场、紊动能以及漩涡等水力特性进行研究，为研究鱼类在不同开孔数量鱼巢砌块内部休憩的特点提供参考。

1 材料与方法

1.1 鱼巢砌块体型

本文共讨论了五种不同开孔数量的鱼巢砌块体型，开孔数量分别为2个、3个、4个、5个和6个，如图1所示。鱼巢砌块原型长为1.00 m，宽为0.50 m，高为0.50 m；其空腔长为0.90 m，宽为0.40 m，高为0.45 m。鱼巢砌块原型边壁和底部的厚度均为0.05 m，顶部为开放式。鱼巢砌块原型进口结构的开孔率为50%，且其高度为0.40 m。

图1 五种不同开孔数量的鱼巢砌块体型

1.2 物理模型试验

本模型试验以鱼巢砌块为研究对象，以鱼巢砌块水力特性为研究内容，通过物理模型试验测定鱼巢砌块(模型)空腔和外部的流场，观察并记录流态情况，以此验证数值模拟计算成果的可靠性。

试验装置为玻璃水槽，模型试验所使用的流速测量仪器为南京水利科学研究院研制的NKY04-L1型旋桨流速传感器和NKY02-1C型测速仪。

1.3 数学模型的设置

本文利用专业三维建模软件以1∶1比尺建立鱼巢砌块数学模型，并利用计算流体动力学专业软件计算并分析五种不同开孔数量的鱼巢砌块(原型)的水力特性。数值模拟计算区域如图2所示。本文采用标准六面体结构化网格的方法进行网格划分，网格数范围为271 715～278 887个，节点数范围为291 214～298 690个，网格最大边长尺寸为0.04 m，网格最小边长尺寸为0.01 m，如图3所示。本文分析和模拟三维瞬态问题，假设鱼巢砌块周围的流动为黏性不可压缩流体的紊流运动，温度变化很小，故可忽略能量的变化。本数学模型为明渠模型，因而采用VOF方法时需应用“Open Channel Flow”模块，同时采用标准 k-epsilon紊流模型，故主要控制方程为连续方程、动量方程、紊动能方程和紊流耗散率方程。

图2 计算区域

图3 网格划分图示

本文入口边界设置为压力入口边界条件，并应用“Open Channel”模块，入口第二相为水，水深为0.5 m，水流流速为1 m/s；出口边界设置为压力出口边界条件，并应用“Open Channel”模块，水深为0.5 m。流场计算方法采用SIMPLE算法，计算时间步长为0.01 s。

2 结果与分析

2.1 模型验证

本文将物理模型试验结果转化为原型数据来与数值模拟结果进行对比分析，从而验证数值模拟结果的合理性。提取鱼巢砌块内部空腔中部测层的中间纵断面上各节点的流速值，结果如图4所示。由图可知，本文数值模拟结果和物理模型试验结果吻合良好，两者的流速分布趋势基本一致，且最大的流速差不超过0.015 m/s，故说明本文数学模型能够较好地模拟鱼巢砌块的水力特性。因此采用本文数学模型来研究不同开孔数量对鱼巢砌块水力特性的影响能够满足要求。

图4 流速对比

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 流速分析

本文通过数值模拟得到了五种不同开孔数量的鱼巢砌块(原型)的流场情况，鱼巢砌块内部空腔中部测层(Z= 0.275 m)的流速分布结果如图5所示，其中V为流速。由图5可知，不同开孔数量的鱼巢砌块的流速分布规律如下：(1)从2孔鱼巢砌块到5孔鱼巢砌块，鱼巢砌块内部空腔的平均流速随开孔数量的增多而降低，且流速范围为0～0.0625 m/s的低流速区面积随开孔数量的增多而增大。相比于5孔鱼巢砌块，6孔鱼巢砌块内部空腔的平均流速较大、流速范围为0～0.0625 m/s的低流速区面积较小。(2)鱼巢砌块内部空腔的近岸侧始终存在流速较大的流速区。本文以与进口结构相对的一侧为近岸侧，以进口结构中最靠近上游段的孔口为第1开孔，沿着主槽水流方向以此类推可得第2～6开孔。(3)鱼巢砌块进口部的平均流速随开孔数量的增多而降低。(4)鱼巢砌块内部最大流速均出现在进口部，且均位于第1开孔的下游侧。(5)从第1开孔至最后一个开孔，孔口处的平均流速越来越小，且每个孔口的最大流速均位于其下游侧。(6)随着开孔数量的增多，鱼巢砌块内部空腔的漩涡数量先增多后减少，且漩涡总面积先增大后减小，其中3孔鱼巢砌块内部空腔的漩涡数量最多、总面积最大。(7)2孔鱼巢砌块内部空腔的流速范围较大(0～0.313 m/s)，且其单个孔口尺寸较大，故适合作为各种体形的鱼类的休憩场所。(8)3孔鱼巢砌块和4孔鱼巢砌块的内部空腔中漩涡数量较多，且漩涡总面积较大，故不适合作为小体形鱼类的休憩场所。(9)5孔鱼巢砌块和6孔鱼巢砌块的内部空腔中绝大部分区域的流速范围较小(0～0.125 m/s)，且其单个孔口尺寸较小，故适合作为小体形鱼类的休憩场所。

图5 流速分布结果

2.2.2 紊动能分析

本文通过数值模拟得到了五种不同开孔数量的鱼巢砌块(原型)的紊动能分布情况，鱼巢砌块内部空腔中部测层(Z= 0.275 m)的紊动能分布结果如图6所示，其中TKE为紊动能。由图6可知，不同开孔数量的鱼巢砌块的紊动能分布规律如下：(1)随着鱼巢砌块开孔数量的增加，鱼巢砌块内部空腔的最大紊动能越来越小，且紊动能范围为0～0.004J/kg的低紊动能区面积越来越大。(2)2孔鱼巢砌块内部空腔的最大紊动能分布在其中心部位；在开孔数量大于2个的鱼巢砌块的内部空腔中，其最大紊动能均分布在进口结构一侧，且相对高紊动能区面积越靠近上游越大。(3)鱼巢砌块的最大紊动能均分布在最靠近下游段的开孔处(即最后一个开孔)，且从第1开孔至最后一个开孔平均紊动能逐渐增大。(4)随着开孔数量的增加，鱼巢砌块最后一个开孔的最大紊动能先增大后减小，其中3孔鱼巢砌块最后一个开孔的最大紊动能在五种鱼巢砌块中最大。(5)在五种不同开孔数量的鱼巢砌块中，紊动能均小于0.050 J/kg，属于低紊动能区[21]，故均适合作为鱼类的休憩场所。

图6 紊动能分布结果

3 结 论

基于计算流体动力学软件对五种不同开孔数量的鱼巢砌块进行水力特性数值模拟，发现鱼巢砌块内部的流速分布情况、漩涡数量及总面积、紊动能分布情况均与开孔数量有关，且不同开孔数量鱼巢砌块具有各自目标保护鱼类适宜生存的体形范围。综上所述，研究开孔数量对鱼巢砌块水力特性的影响有利于我国生态护岸工程建设，为鱼巢砌块的体型设计、结构优化和科学研究提供参考。