悬浮式扰动器群体布置的水力特性及诱驱鱼效果研究

摘要

修建大坝工程为人类提供防洪、发电、灌溉等效益的同时，其对生态环境的影响备受国内外关注。大坝的修建对上下游河段会产生物理阻隔作用，致使河流生态因子发生明显的变化，对水生生物特别是鱼类产生了威胁。为保护鱼类生态资源，在实际工程中采用了鱼道、集运鱼系统等设施，为进一步提高过鱼效率，工程实际通常对过鱼设施设置配套的辅助导鱼技术，辅助导鱼技术包括声音导鱼、光驱诱鱼、气泡幕、拦鱼栅网、水流导鱼等。
　　本文利用鱼类对水流的水力因子的感应，从鱼类的趋流性出发，在单个悬浮式水流导鱼器诱驱鱼机理的基础上，通过数值模拟计算研究在水流中布置多个扰动球时流场的水力特性分布情况，再在实验室中通过球体扰动器对水流制造扰动，验证悬浮式扰动器在纵、横方向上不同间距的布置形式下对鳙幼鱼的诱驱鱼效果。论文的研究内容主要包括以下几个方面：
　　1）通过查阅资料，综述国内外水流水力特性对鱼类影响的研究和以往的诱驱鱼的方式；
　　2）简述单个悬浮式水流扰动器对流场水力因素的影响并分析对鱼类游泳行为的诱驱效果；
　　3）对水流进行数值模拟，计算水流中布置多个扰动器影响下的流速和紊动的流场分布变化规律，并验证模拟的可靠性；
　　4）在扰动器影响的各工况下进行鳙幼鱼的游泳上溯实验。通过视频分析、轨迹跟踪技术分析扰动器后面鱼类在洄游过程中的行为特点，验证其诱驱鱼效果；
　　5）结合流场水力特性扰动规律和鱼的游泳上溯实验结果分析扰动器在纵、横方向上不同布置距离时的诱驱鱼效果。
　　Flow3D对流场的数值模拟显示，扰动器在纵横方向上不同间距时，流场水力特性的分布也不同。
　　扰动器横向布置时，在扰动球后可看到明显的流速亏损越靠近球心，流速越小，亏损越严重，而相对紊动强度和紊动能则是不断增大，并且沿程向上，流速变化率在不断增大。但在扰动器的左右两侧因为水流流线在横向上受到球体挤压而变密，存在小范围的流速增大的现象。总的看来，在双球体扰动器的影响下，扰动器后部的流场流速、相对紊动强度和紊动能分布有相互吸引的作用，并且扰动球之间的横向距离越小，相互吸引的作用越强。另外中间的影响区较长，两侧则相对较短，与中间的影响区倾斜靠近，形成一个几近整体的平顺的水流影响区域。
　　扰动器纵向布置时，各个水流扰动器后都存在明显的流速亏损及紊动增大的现象。总体看来，三个水流扰动球后的影响区形成一个沿程扩散的连续影响区。在沿程中心线上，扰动器之间区域流速分布基本相同，但随着扰动器间距的增大，流速变化范围增大，变化趋势也增加了渐变段的区间；而第二个扰动器后的扰动分布则受第一个扰动器的影响较大，这段区间的紊动程度较小。
　　通过生物学验证实验表明，在横向上布置多个扰动器能够增大水流诱驱鱼的整体区间影响范围。在扰动器横向间距L=2.0D时，扰动器后部都能起到诱驱鱼的效果，另外还发现大部分鱼是从扰动器两侧绕过，有少量经过扰动器中间区域上溯；在扰动器间距L=1.5D时，扰动器后能形成整体的驱鱼区域，鳙鱼基本不会经过两个扰动器中间的空隙部分。另外，在纵向上布置多个扰动器能够起到连续的诱驱鱼效果，但扰动器在不同纵向间距下，诱鱼的效果不尽相同。在扰动器纵向间距L=5D时，中间区域的紊动程度整体较大，基本没有鳙幼鱼进入，表现出驱的作用；在L=8D时，鳙幼鱼进入扰动器之间区域的数量明显增加，但鱼前一个扰动器相比仍较少；而L=10D中，进入中间区域的鳙幼鱼比例只比最后一个扰动器后稍少，说明这段区域形成了有效、连续的“诱“到”驱”的过程。

目录

声明

引言

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 研究的技术路线

2悬浮式扰动器群体布置水流特性数值模拟研究

2.1 单个悬浮式扰动器对鱼类的影响

2.2实验工况的确定

2.3建立模型

2.4 求解方程

2.5 网格划分

2.6 边界及初始条件设置

2.7流场分布规律

2.8本章总结

3生物学实验的建立

3.1实验对象及实验条件

3.2实验系统的建立及验证

3.3 实验方法

3.4 实验数据处理方法

4 生物学实验结果与分析

4.1纵向布置实验结果

4.2横向布置实验结果

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

后记

附录