三维鱼道水力特性及鱼体上溯行进能力数值模拟研究

摘要

近年来，人们在河流中修建大量水利设施来弥补我国水资源时空分布不均匀的缺陷。这些人工设施破坏了原始河流的连通性，造成河流生态环境片段化，阻断了河流中鱼类等水生动植物的洄游通道，造成河流生物多样性严重下降。在大力提倡生态文明建设的大环境下，鱼道不仅是一项水利工程，更是一项生态利民补偿工程，对于恢复河道原始生态环境，保护河流物种多样性起着举足轻重的作用。
　　本文在收集大量文献资料的基础上，基于前人的研究成果，对鱼道的水力特性进行了较深入的探讨，并对运用FLUENT软件求解鱼道等具有自由表面明渠流动问题基本原理作了详细的阐述。主要工作如下:
　　(1)在阅读和整理大量文献资料的基础上对鱼道的国内外研究进展作了详细的归纳总结，结合国内外实际工程运行情况提出了我国鱼道建设所面临的问题，并对数值模拟在鱼道设计和研究中的应用作了详细论述。
　　(2)介绍了鱼道建设的必要性，同时详细展示了与鱼道建设有关的鱼类游泳能力，鱼道布置的基本原则、鱼道的类型特征、不同鱼道类型的水力特性参数。
　　(3)简要介绍鱼道数值模拟基本控制方程、数值求解算法、紊流模型、自由水面模拟方法等基本原理。
　　(4)对某水电站表孔溢洪洞泄流能力进行了水工模型试验，通过试验对溢洪洞控制段、渐变段、洞身段等水力特性参数进行了测量，得出了“库水位～流量”关系曲线。
　　(5)根据试验成果，运用CAD、ANSYS ICEM、FLUENT等软件对溢洪洞进行三维数值计算，并与实测值进行了对比分析，吻合度较高，表明FLUENT在模拟具有自由表面流的明渠流动问题时能够达到很高的精度。
　　(6)成功建立了同侧竖缝式鱼道、异侧竖缝式鱼道三维水动力学模型，并详细展示了单个鱼池细部流速场特性，表明鱼道具有上升流、下降流、流动分离、涡流等复杂的紊流特性。根据模拟得出的流速场，以粉红鲑鱼为目标鱼种，基于其上溯时的爆发游泳速度，推求沿着三条不同路径上溯时所遇到的阻力及能量损耗。
　　鱼道的水力特性研究和鱼体上溯耗能的定量分析对于鱼道建设管理、结构尺寸优化设计具有指导性意义，该模型方法对于未来更深入的鱼道研究和渔业管理都具有借鉴意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 鱼道水力特性的研究背景及意义

1．2 国内外研究概况及发展趋势

1．2．1 国外发展概况

1．2．2 国内发展情况

1．2．3 鱼道建设存在的问题

1．3 数值计算在水利工程中的应用

1．3．1 概述

1．3．2 鱼道数值模拟简介

1．4 本文研究工作的主要内容

1．5 本章小结

2 鱼道的水力特性研究

2．1 鱼道等过鱼设施的必要性

2．2 鱼类游泳能力研究

2．2．1 概述

2．2．2 鱼类游泳能力研究

2．2．3 鱼类游泳特性与鱼道设计关系

2．3 鱼道设计基本理论

2．3．1 鱼道设计的基本原则

2．3．2 鱼道形式的类型

2．3．3 不同鱼道类型的特征

2．4 鱼道的水力特性分析

2．4．1 鱼道设计相关的主要水力学因素

2．4．2 竖缝式鱼道的水力特性参数

2．4．3 池式鱼道的水力特性参数

2．5 本章小结

3 数值计算原理及紊流模型基本理论

3．1 数值计算原理

3．1．1 数值计算基本简介

3．1．2 流体流动的基本控制方程

3．1．3 数值计算的求解方法

3．2 紊流数值模拟基本理论

3．2．1 紊流数值模拟

3．2．2 紊流数值模拟方法

3．2．3 紊流模型基本控制方程

3．3 自由水面模拟

3．3．1 对称性边界

3．3．2 标高函数法

3．3．3 MAC法

3．3．4 体积分率法(VOF法)

3．5 本章小结

4 FLUENT简介及明渠流模型验证

4．1 FLUENT简介

4．2 某表孔溢洪洞泄流消能试验研究

4．2．1 工程概况

4．2．2 表孔溢洪洞水力学计算

4．2．3 表孔溢洪洞水工模型试验

4．2．4 表孔溢洪洞水力特性试验结果

4．3 表孔溢洪洞数值模型验证

4．3．1 数学模型的建立

4．3．2 边界条件及初始化

4．3．3 模拟结果验证

4．4 本章小结

5 鱼道数值分析及鱼体上溯能力研究

5．1 数学模型建立

5．2 数值计算方法

5．2．1 控制方程式

5．2．2 自由液面与底面边界条件

5．2．3 控制方程的离散及收敛

5．2．4 边界条件设定

5．3 同侧竖缝式鱼道模拟结果

5．3．1 鱼道内部流态

5．3．2 鱼道内部流速场

5．4 异侧竖缝式鱼道模拟结果

5．4．1 鱼道内部流态

5．4．2 鱼道内部流速场

5．5 鱼体上溯行进能力研究

5．5．1 上溯能力理论基础

5．5．2 上溯路径及鱼种选择

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢