一种消能通道与过鱼通道独立的新式Tesla 阀鱼道及其水力特性研究

2023-09-22王元玖薛智博张春泽米家杉

中国农村水利水电 2023年9期

王元玖，薛智博，张春泽，，米家杉，马倩

（1. 重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆 400074； 2. 重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；3. 交通运输部水运科学研究院，北京 100010； 4. 重庆西科水运工程咨询有限公司，重庆 400074）

0 引言

在水资源开发过程中，人们在江河上修建了大量拦河建筑物，阻断了天然河流连通性。为保障河流生态的可持续发展，又设置各类过鱼设施，用以减缓拦河工程对鱼类溯洄的不利影响。要保障鱼类顺利上溯，过鱼设施至少应满足以下3点要求：首先，由于鱼类游泳能力的限制，过鱼设施中主通道允许最大流速不应超过鱼自身的极限游泳速度；另外，通道内应存在一个供鱼类休息调整的休憩区，该区流速不宜超过鱼类的感应流速；最后，通道内流态应尽量丰富多样，以满足不同鱼类的游泳偏好［1］。总体来看，无论传统工程鱼道，还是各类新型仿自然（仿生态）鱼道，都是满足上述要求的基础上再兼具各自特点。

对于传统鱼道的代表，竖缝式鱼道中主流大体居中，其流速从中心线到两侧递减，纵向衰减明显，回流区分布在主流两侧，流速值较小，可作为休息区，空间占比大［3］。相比较于传统工程鱼道，仿生态鱼道能够形成鱼类更为熟悉的接近天然河道的水流条件［4］。交错蛮石墙式仿自然鱼道［5］采用天然砂、砾石对底破进行加糙，采用天然蛮石建造挡墙，该结构单级池室中主流有先减小再增大的趋势，最大流速出现在长蛮石墙附近，休息区存在于主流两侧，该区域紊动能较弱。将仿生态鱼道与孔缝相组合，在此结构中流态表现良好，整体紊动能不大，底孔和竖缝处最大流速基本保持一致，基本满足过鱼需求，底孔的存在为中底层鱼类增加了上溯路径，可有效提高过鱼效率［6］。李广宁等［7］采用挺水植物构建了一种新型仿自然鱼道，植物模块交错布置，水流流态丰富，过鱼通道流速能够得到有效控制，植物布置区下游可作为休息区。郄志红等［8］提出了一种利用太极圆盘和爻条削减水流能量的太极式新型鱼道，在此基础上接着又提出了旋流式鱼道［9］，利用导流坎引导水流与弧形壁面在池室内形成旋流，水流相互碰撞摩擦消能，进而实现降低过鱼通道流速的目的。

Tesla阀［10］是一种被动式流体控制装置，由重复的弯道和直道构成［见图1（a）］，流体从阀门不同端口流入，流动将会呈现完全不同的规律，此现象即被称为Tesla阀的单向流通性。当流体反向流入时，被划分为两股，两股流体在导流柱末端相互摩擦碰撞进行消能，致使流体流速大大削弱；当流体正向流入时，流动畅通无阻，流速被提升。Tesla阀由于其特殊的结构和控制流动特性，在微流体控制、微机电系统等领域得到广泛应用，然而在大尺度上，Tesla 阀的单向流通特性也可被应用于鱼道设计。2016 年，K Keizer［11］就大型Tesla 阀用作鱼道的可行性进行探讨，分析了该结构的池室流动规律和水动力特征，认为大尺度Tesla 阀在适宜的流量-比降的组合工况下，可用作过鱼设施。随后，Blotnicki J等［12］将大型Tesla阀的结构进行修改，将原有Tesla阀的倾斜边壁改为顺直边壁，研究结果表明新结构存在着池室流速过高、消能效率低的问题。将Tesla 阀应用于鱼道中，不应仅仅考虑消能效率，还需考虑鱼类的上溯适宜条件，上溯过程中需找寻适宜的休息区域恢复体能，休息区域的流速不宜大于鱼类的感应流速（一般为0.2 m/s）。然而，在较大比降条件下，原Tesla 阀鱼道形成的流场中顺直道流速湍急，且难以提供充足且稳定的休息区，故本文通过调整池室直/弯道宽度比，镂空导流柱并增加开口端长度等措施对原结构（如图1所示）进行了优化。通过三维数值方法对二者进行了模拟比较，分析了新方案（新式Tesla阀鱼道）的水流特征和作为鱼道的条件符合性。

图1 Tesla阀鱼道和新式Tesla阀鱼道结构示意图Fig.1 Structural schematic diagram of Tesla valve fishway and new Tesla valve fishway

1 数学模型及验证

1.1 控制方程

采用Flow-3D 软件对模型进行计算，Flow-3D 将连续性方程和不可压缩黏性流体运动的Navier-Stokes 方程作为控制方程，采用模拟在高应变率的紊流运动中较为准确的RNGk-ε湍流模型，该模型主要控制方程有连续方程、动量方程、紊动能k方程，紊动耗散率ε方程。

连续方程：

动量方程：

紊动能k方程：

紊动耗散率ε方程：

式中：t为时间，s；ui为时均速度分量，m/s；xj为坐标分量，m；ρ为密度，kg/m3；μ为分子黏性系数；p为压强，Pa；μt为紊流黏性系数；αk和αε分别为k和ε的湍流普朗特数；Gk为紊动能产生项，。

1.2 边界条件及网格划分

根据鱼道设计准则确定新式Tesla阀鱼道的几何设计参数，总长为26 m，宽为3.13 m，池室级数为6 级，结构整体比降为1%、1.5%、2%、2.5%和3%。计算区域进出口均设置为压力边界条件，相对压力为0，水深为1.0 m，由于自由表面为水体与大气的交界面，故计算区域的上部设定位压力边界条件，相对压力为0，水相占比为0，壁面为无滑移壁面条件，暂不考虑糙率影响。

采用正六面体结构网格进行网格划分，x、y、z方向的单元网格尺寸均取为0.06 m，总网格单元数约为145 万，网格划分见图2。

图2 网格划分示意图Fig.2 Schematic diagram of grid generation

1.3 验证

首先对原大尺度Tesla阀鱼道进行数值模拟，并与文献［11］中物理模型实验成果进行对比验证，确定网格划分尺度和边界设置的适用性。通过对比各级池室的特征点监测水深（如图3），可知计算值与实验成果吻合良好，说明数值模型的可靠性能够满足研究需求。

图3 计算值与测量值对比图Fig.3 Comparison between calculated and measured values

2 结果与分析

2.1 优化效果比较分析

为了深入对比优化方案与原Tesla阀鱼道的相关水力特性，分别针对两种结构开展5种典型工况的模拟和分析。为避免边界效应的影响，仅在表1中展示第3、4级池室中的结果。

总体来看，新方案与原Tesla阀鱼道最显著的区别是休息区面积大幅提升。随着鱼道比降增加，两种结构内休息区面积均单调减少。当鱼道比降超过2%时，原Tesla 阀鱼道池室内流速低于0.2 m/s 的区域已不足2%，无法保障上溯鱼类休憩空间。相比之下，即使在2%～3%的比降范围内，优化方案池室内休息区面积占比仍保持40.8%～25.8%。

表1 原Tesla阀鱼道A和新式Tesla阀鱼道B水力特性对比表Tab.1 Comparison of hydraulic characteristics between the original Tesla valve fishway A and the new Tesla valve fishway B

另外，新方案在保持了原Tesla 阀鱼道消能效率（由单位投影长度内水头损失表示）的同时，整个池室内紊动能和流速均较原方案更小。由流速矢量图（图4）可知，在原Tesla 阀鱼道中，潜在通路内形成了显著的高流速锁（即顺直道中流速大于鱼类极限游泳速度），阻断了鱼类上溯通道。而观察优化方案可知，其弯道内流速显著增加，而顺直道内流速显著减小，并且在镂空导流柱内形成了较大的休息区。这一成功的优化，使得弯、直道功能独立而互不干扰，分别起消能和过鱼作用。在后续文中，将弯道称为消能通道，将直道称为过鱼通道。如图4（b）所示，两级池室衔接段也是消能通道与过鱼通道的交叉区域，如果此处流速过高，将会阻碍鱼类上溯。

图4 第3、4级池室流速矢量对比图（比降2.0%）Fig.4 Comparison of flow velocity vectors in the 3rd and 4th stage tank chambers（Gradient of 2.0%）

2.2 优化方案池室内流速

以四大家鱼（青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼）为主要目标过鱼对象，其感应流速范围0.07～0.20 m/s，临界游泳速度0.50～1.12 m/s，极限游泳速度0.70～1.48 m/s［13］。在本文中，取过鱼对象的感应流速为0.2 m/s，极限游泳速度为1.3 m/s，即池室内供鱼类恢复体力的低流速区不宜大于0.2 m/s，通道内最大流速不宜超过1.3 m/s，适宜上溯流速范围则为0.2～1.3 m/s。

图5 为各级池室消能通道高流速区平均流速随比降变化图，消能通道内流速随着比降的增大而增加，首级与第2级池室内流速增涨率较大，而自3 级池室之后的流速增涨率趋缓。这一规律与原Tesla阀鱼道［11］中各级回路流速变化规律相符。

图5 各级池室消能通道高流速区平均流速变化图Fig.5 Variation pattern of average velocity at the high velocity zone of the energy dissipation channel in the each stage tank chambers

图6 给出了当优化方案底坡比降分为1.5%、2%和2.5%时第3、4 级池室流速云图。由于遮蔽作用，镂空导流柱内水体流速一直保持在0.2 m/s 以下，几乎不受鱼道比降变化影响，可以稳定地保障鱼类休息区面积，供上溯疲劳的鱼类短暂休息、恢复体能。在消能通道顶冲作用下，过鱼通道内流速整体较低，最大流速均发生在池室入口处与消能通道主流交叉段。消能通道内流速最大值出现在通道入口处，强烈的剪切作用及壁面摩擦是通道内主要的消能方式。

图6 新式Tesla阀鱼道第3、4级池室流速分布云图Fig.6 Cloud chart of flow velocity distribution in the 3rd and 4th stage tank chambers of the new Tesla valve fishway

为了确定优化方案的比降适用范围，在图7 展示了连续6级池室通道交叉区平均流速随比降变化曲线。由图7 可知，当鱼道比降增大到2.5%以上时，末级部分池室平均流速已超过目标鱼类的极限游泳速度，需要增加一段平坡休息室串联上下级池室。

图7 各级池室通道交叉区平均流速变化图Fig.7 Variation pattern of average velocity at the intersection area between the energy dissipation channel and fish passageway in the each stage tank chambers

2.3 优化方案池室内紊动能

水流紊动能（Turbulent Kinetic Energy， TKE）是反映流体紊动的物理量，紊动能越大，水流湍动越剧烈，流体之间的相互碰撞产生的能量损失也越大［14］。鱼道中水流保持适当的紊动强度，一方面有利于鱼类感应主流位置，另一方面也有利于增加水体含氧量，维持水质指标。但水流的紊动程度与鱼类的游泳能力呈负相关［15］，当鱼道内水流的紊动能过大时，鱼类则会因受力复杂及运动阻力增大而难以保持自身的平衡，不仅影响鱼类的运动能力，还有可能会对鱼体造成一定的损伤。

图8 为3、4 级池室的紊动能分布云图。随着比降的增大，池室紊动能呈整体上升趋势，根据文献资料［16］，区分高低紊动能区的临界值为0.05 J/kg。当优化方案底坡比降低于2%时，池室紊动能均小于0.05 J/kg，休憩区紊动能小于0.01 J/kg；比降为2.5%时，池室进口处局部紊动能较大，最大约为0.13 J/kg，高紊动能区几乎封住了5 级池室入口。综合流速和紊动能变化规律，优化方案的底坡控制在2.5%以下，具有更好的上溯条件和经济性。