竖缝式鱼道水力特性研究

摘要

鱼道作为水利枢纽中供鱼类洄游而修建的一种过鱼建筑物，是保护天然渔业资源、保护生物多样性及实现可持续发展的一项工程措施。鱼类进入鱼道入口后，鱼道的过鱼效果取决于池室水流的流速分布及流态分布是否合理，而隔板型式是影响池室水流流态的决定性因素。当前国内对鱼道隔板型式的设计没有统一的标准，大部分依靠工程经验，带有一定的主观性，缺少严密的科学论证;休息池不利的水流结构，使鱼道过鱼效果不佳，而国内对休息池不利水流结构改进措施的研究，也处于初步探索阶段;同时，当鱼道穿越坝旁公路、桥梁等建筑物时，受地形条件的限制有时需要设置90°转弯段，而国内对鱼道90°转弯段水力特性的研究较缺乏。鉴此，本文以老口鱼道为工程背景，对竖缝式鱼道隔板型式优化做出初步探索，并分析了鱼道平直段常规池室、休息池和90°转弯段常规池室的水力特性，针对休息池不利的水流结构提出初步的改进措施，主要内容有:
　　(1)给出5种竖缝式鱼道隔板型式备选方案，采用室内模型试验和数值模拟计算相结合的方法，对5种隔板型式进行定性和定量的比较分析，并给出最优方案。研究发现:C型隔板主流区较平缓，轨迹偏转率为9％，最大流速沿程衰减率为18％;竖缝断面处流速平均值为0.95 m/s，其径向流速vr与平均流速va的比值为0.91，流速分布合理，在实际工程中可优先采用。
　　(2)对老口鱼道隔板型式推荐方案，即C型隔板的水流特性进行三维数值模拟计算。研究发现:水流在池室中形成“S”形流向，流过隔板后在池室中充分消能;主流区分布在沿水流方向的池室右边约1/5～2/5处，主流区平缓，发生一定的偏转，但偏转程度较小，流速值约处于0.4m/s～1.1m/s之间，适合鱼类上溯;回流区范围适中，流速值基本在0.4m/s以下，方便鱼类休息。
　　(3)采用数值模拟的方法分析了休息池的水力特性，针对休息池不利的水流结构，提出增设整流挡板的改进措施。研究发现:将整流挡板布置于休息池沿水流方向，距上游横隔板1/2处的左侧边壁，且整流挡板长宽比（n∶m）为2.75时，休息池不利水流结构改进效果最佳;经改进后，休息池主流区大部分区域位于纵向中心线左右两侧，回流区面积接近，是较为理想的流态分布。
　　(4)对老口鱼道90°转弯段的水力特性进行计算分析。研究发现:90°转弯段3个池室主流明确，回流范围适中，紊动能大的区域面积小，流场结构合理;主流区最大流速轨迹位于沿水流方向的池室右边约1/5～2/5处，偏转程度适中，主流区流速沿程衰减情况良好，消能效果显著。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 鱼道发展历史

1．3 鱼道分类及特点

1．3．1 传统鱼道

1．3．2 新型鱼道

1．3．3 其他类型鱼道

1．4 国内外鱼道研究进展

1．4．1 国外鱼道研究进展

1．4．2 国内鱼道研究进展

1．5 主要内容与技术路线

1．5．1 主要内容

1．5．2 技术路线

第二章 竖缝式鱼道水力特性影响因素及相关参数

2．1 鱼道设计的生物学依据

2．1．1 鱼类的洄游行为

2．1．2 鱼类的趋性行为

2．1．3 鱼类的游泳行为

2．1．4 鱼类对外界环境的反应行为

2．2 竖缝式鱼道水力特性的影响因素

2．2．1 隔板型式

2．2．2 上下游水位差

2．2．3 池室长宽比

2．2．4 竖缝宽度

2．3 竖缝式鱼道水力特性参数

2．3．1 流速

2．3．2 单位体积消能率

2．3．3 竖缝式鱼道的流量

2．3．4 竖缝式鱼道的紊动能

2．3．5 雷诺切应力

第三章 数值模拟计算基本理论

3．1 流体力学控制方程

3．1．1 质量守恒方程

3．1．2 动量守恒方程

3．2 控制方程离散方法

3．2．1 有限差分法

3．2．2 有限元法

3．2．3 有限体积法

3．3 湍流模型

3．3．1 Standard κ-ε模型

3．3．2 RNG κ-ε模型

3．3．3 Realizable κ-ε模型

3．4 多相流模型

3．4．1 Eulerian模型

3．4．2 Mixture模型

3．4．3 VOF模型

3．5 流场计算方法

3．5．1 SIMPLE算法

3．5．2 SIMPLEC法

3．5．3 PISO算法

第四章 竖缝式鱼道隔板型式数值模拟研究

4．1 水力学局部模型试验

4．1．1 局部模型试验的目的

4．1．2 模型设计及量测方法

4．1．3 隔板方案比较

4．1．4 试验方法

4．2 模型试验成果

4．2．2 工况2水流流态

4．2．3 工况3水流流态

4．2．4 工况4水流流态

4．2．5 工况5水流流态

4．3 数值模拟计算

4．3．1 计算区域和网格划分

4．3．2 控制方程

4．3．3 边界条件

4．3．4 计算方法

4．4 数值模拟结果分析

4．4．1 模型验证

4．4．2 流场分析

4．4．3 主流区最大流速轨迹与流速沿程衰减情况

4．4．4 竖缝断面处流速分布

4．4．5 水池内单位体积消能率

4．4．6 隔板型式比较

4．5 小结

第五章 鱼道三维数值模拟计算研究

5．1 模型建立及网格划分

5．2 边界条件

5．3 RNG κ-ε湍流模型

5．4 VOF模型

5．5 离散格式与流场计算方法

5．6 残差及时间步长

5．7 计算结果分析

5．7．1 鱼道池室不同高程流速分布

5．7．2 鱼道池室纵向断面流速分布

5．7．3 鱼道池室横向断面流速分布

5．7．4 鱼道池室不同位置三维流速分布

5．8 小结

第六章 鱼道休息池水力特性与改进研究

6．1 鱼道休息池水力特性研究

6．1．1 模型建立

6．1．2 网格划分、边界条件及计算方法

6．1．3 流场分析

6．1．4 不利流态改进措施

6．2 整流挡板不同布置位置改进研究

6．3 整流挡板不同尺寸改进研究

6．3．1 流场分析

6．3．2 主流区水力特性分析

6．3．3 回流区水力特性分析

6．4 综合分析

6．5 小结

第七章 鱼道90°转弯段水力特性研究

7．1 模型建立

7．2 网格划分、边界条件及计算方法

7．3 数值模拟结果分析

7．3．1 流场分析

7．3．2 紊动能分析

7．3．3 主流区最大流速轨迹与流速沿程衰减情况

7．3．4 水池内单位体积消能率

7．4 鱼类上溯耗能情况研究

7．5 小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间所发表的学术论文