李明泉，蔡德所*,2，杨培思，莫崇勋，孙桂凯，李烈

(1.广西大学 土木建筑工程学院， 广西 南宁 530004；2.三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443000;3.广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530004)

0 引言

鱼道为洄游鱼类提供了良好的洄游通道，有效的缓解了由于闸坝等建筑物对生态环境造成的负面影响[1]。2000年以后我国鱼道建设进入第二次发展期，最近十多年建成的鱼道相关工程达三十余座[2]。

竖缝式鱼道是用隔板和导板把鱼道隔开，仅留一条竖缝供鱼类洄游；由于竖缝的排列方式不同，又可分为同侧竖缝式和异侧竖缝式鱼道；由于鱼道槽身内存在大量的隔板，其消能效果比一般的孔口式鱼道等更显著；垂直于鱼道池底的竖缝，更能适应不同水位、不同鱼类的洄游要求[3-6]，国内最近新建成的鱼道大部分都是竖缝式鱼道[7]。

鱼道的运行效果在一定程度上取决于它的水力特性[8]，而国内对竖缝式鱼道180°转弯段水力特性的研究较少，大多集中于平直段的研究[9]。与其他流体力学软件相比，FLOW-3D特有的TurVOF计算技术，不求解气体控制方程，仅在界面上应用边界条件，而且界面上没有剪力，能够提供真实且详尽的自由液面流场信息。因此，本文选择FLOW-3D软件，采用数值模拟的方法，对老口竖缝式鱼道180°转弯段的主流区流速、紊动能沿程及垂向分布变化进行研究，分析180°转弯段的水力特性，对老口鱼道过鱼效果评价提供可靠依据。

1 建立模型

1.1 物理模型

物理模型的建立根据广西老口航运枢纽鱼道的实际模型，采用1∶1的比例建立物理模型。为了便于把模型导入FLOW-3D软件模拟计算，采用Rhinoceros软件对模型进行绘制。为了避免180°转弯段内的水力特性受到边界条件的影响，在鱼道模型的进口及出口各增加3个池室[10-12]。模型由6个池室和一个180°转弯段组成。模型整体长37.9 m，宽9.0 m，高3.0 m，底板厚0.5 m，墙厚1.0 m，每个池室长3.6 m，宽3.0 m。由于所取180°转弯段底坡变化不大，故不考虑底坡的影响。鱼道整体布置图如图1所示，池室细部结构图如图2所示。

图1 鱼道整体布置图Fig.1 Overall layout of model

图2 池室细部结构图Fig.2 Size of pool

老口鱼道的主要过鱼对象为青、草、鲢、鳙“四大家鱼”[13]，当前国内对鱼类游泳能力的研究资料较少，根据《水利水电工程设计导则》(SL 609—2013)[14]，“四大家鱼”的游泳能力见表1。

表1 “四大家鱼”的游泳能力Tab.1 Swimming ability of the four major chinese carps

1.2 控制方程

把水流看成不可压缩流体，根据实际情况，采用FLOW-3D软件中的RNGk-ε湍流模型，控制方程如下[13-15]：

连续方程：

动量方程：

k方程：

ε方程：

η0=4.377，β=0.012[10, 16]。

2 模型计算与分析

网格块覆盖了模型的整个流体区域，本次模拟网格为立方体网格，每个网格单元的尺寸为0.1 m×0.1 m×0.1 m，模型总共被划分为653 934个网格。网格划分后可以利用软件自带的FAVOR功能查看网格划分后的模型，外形有缺陷的部分进行局部加密。

网格划分计算区域为鱼道的平直段和180°转弯段，故将网格为3部分，网格划分和边界条件如图3所示，第①部分是转弯段上游，第②部分是180°转弯段，第③部分是转弯段下游。为了不影响转弯段的模型计算，第②部分的网格划分多包含池室一部分[7,11-12]。

模型的边界条件，水流进口、出口及模型顶部均设置为压力边界，压力为静水压力；模型的侧面及底板均设置为固体边界。考虑到老口鱼道设计水位和运行水位，使计算结果更符合实际，模型进口水位定为2.0 m，出口水位定为1.6 m。水流上方为空气，流体分数设置为0。模型计算总时间设置为300 s，时间步长可不做设置，使用默认值即可，软件会自动进行计算[17]。

图3 网格划分和边界条件Fig.3 Meshing and boundary conditions

2.1 水流流态模拟

水流流态是鱼道一个重要的水力特性，鱼道水流流态的好坏很大程度上决定了鱼道过鱼效果[3]，主流区明显、流速适宜，过鱼效果就好。本次模拟工况针对老口鱼道设计水位H=2.0 m进行研究，对水流流态模拟结果提取平行于池底的剖面，分别提取距池底高程为h=0.5 m和h=1.0 m的剖面，流态分布图如图4所示。

(a) h=0.5 m

(b) h=1.0 m

由图4可以看出，沿竖缝有一个明显的主流区；转弯段由于没有竖缝，转弯段的主流区流速低于池室的流速。为了分析转弯段主流区流速情况，现从上游到下游，依次选取13个点，得出不同高程下每个点的平均流速，计算每个点的平均流速时，选择模型计算60 s以后的数据进行计算，因为60 s以后的水流逐渐趋于稳定。测点的分布示意图如图5所示，不同高程各测点的流速见表2。

图5 测点的分布示意图Fig.5 Distribution of the points

表2 不同高程各测点的流速Tab.2 Velocities at different elevations

图6 主流区流速分布图 Fig.6 Velocity distributions in the main flow area

测点选好后，以第一个测点为x轴的起点，最后一个测点为x轴终点，结合不同高程各测点的流速，得出从上游到下游主流区的速度分布图，主流区流速分布图如图6所示。

水流从4号测点流入转弯段，从10号测点流出转弯段，由图6得出，不同高程、同一转弯段，主流区流速分布相似；0.5 m水深处转弯段的平均流速为1.35 m/s，1.0 m水深处转弯段的平均流速为1.30 m/s，最小流速为0.55 m/s；流速峰值出现在竖缝处，竖缝处流速高于转弯段内部和池室内部流速。

2.2 紊动能模拟

紊动能是鱼道另一个重要的水力特性，紊动能过大，不仅会阻碍鱼类洄游，还会对鱼类造成伤害[18-19]。对紊动能模拟结果提取平行于池底的剖面，分别提取距池底高程为h=0.5 m和h=1.0 m的剖面，紊动能分布图如图7所示。

(a) h=0.5 m

(b) h=1.0 m

得出不同高程下的紊动能后，为了更直观的分析180°转弯段的紊动能情况，现提取1-13号测点紊动能的数值，不同高程处的紊动能见表3。

表3 不同高程处的紊动能Tab.3 Turbulent kinetic energy at different elevations

以第一个测点为x轴的起点，最后一个测点为x轴终点，结合测点处不同水深的紊动能，得出从上游到下游主流区紊动能分布图如图8所示。

图8 主流区紊动能分布图Fig.8 Turbulent kinetic energy distributions in the main flow area

由图7和图8得出：转弯段相同位置不同水深处的紊动能分布相似；紊动能较大的区域分布在转弯处以及竖缝和竖缝后方接近出口处；0.5 m水深处转弯段的平均紊动能为0.133 J/kg，1.0 m水深处转弯段的平均紊动能为0.161 J/kg，最小紊动能为0.091 J/kg，虽然沿主流区竖缝处及竖缝后方接近出口处紊动能稍大，但回流区紊动能小，有利于鱼类洄游时休息，因此，紊动能稍大的区域对鱼类洄游影响有限。

3 结论

通过FLOW-3D软件，在设计水位2.0 m的工况下，对老口鱼道模型的水力特性进行模拟计算，针对转弯段的主流区流速、紊动能沿程及垂向分布变化进行了分析，得出如下结论：

① 竖缝式鱼道180°转弯段的水流流态有明显的主流区，水流流速相比于池室更低；沿主流区0.5 m水深处转弯段的平均流速为1.35 m/s，1.0m水深处转弯段的平均流速为1.29 m/s，均在老口鱼道主要过鱼对象“四大家鱼”的极限流速以内，适合鱼类洄游；两种水深下的最小流速约为0.60 m/s，有利于鱼类洄游时感知水流方向；转弯段相同位置不同水深的水流流态分布相似；沿主流区，流速峰值出现在竖缝处，竖缝处流速高于转弯段内部和池室内部流速。

② 竖缝式鱼道180°转弯段的紊动能分布与水流流态分布类似，但紊动能较大的区域分布在转弯处以及竖缝和竖缝后方接近出口处；转弯段的水位越高，紊动能越大，最低为0.091 J/kg，虽然沿主流区竖缝处及竖缝后方接近出口处紊动能稍大，但回流区紊动能小，有利于鱼类洄游时休息，因此，紊动能稍大的区域对鱼类洄游影响有限。在今后设计鱼道时应考虑紊动能在以上区域的分布，在转弯段增加扰流措施，减小这些区域的紊动能，使鱼道的设计更加合理。

③ 数值模拟结果表明，老口鱼道对鱼类洄游有着良好的水力条件，但具体的过鱼效果如何，还要在鱼道的实际运行中进行检验。