多竖缝-堰组合式鱼道的水力特性研究

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作为连通河流上下游的通道,鱼道对恢复河流生态环境具有重要意义。竖缝式鱼道在实际过鱼工程中已经得到了广泛的应用,针对竖缝式鱼道的结构尺寸、竖缝布置和水力特性的研究也有很多。本文在已有研究基础上,提出了同侧多竖缝式鱼道和多竖缝-堰组合式鱼道,采用建立数学模型、模拟鱼道流场的方法对池室内的时均流动结构、速度分布特征、紊动能分布、雷诺剪切应力特征等方面展开分析。通过研究堰高和缝宽对池室内水力特性的影响,得到了最优的MSWF-6鱼道布置方案。总体来看,多竖缝-堰组合式鱼道的堰结构能够使池室内适合鱼类运动和休息的区域在空间分布上更为合理,并且为喜欢浅水深的鱼类提供了额外的上溯通道。本文主要研究成果如下:(1)对标准竖缝式鱼道(VSF)、同侧多竖缝式鱼道(S-MSF)和多竖缝-堰组合式鱼道(MSWF)的数值模拟结果对比分析后发现,竖缝数量增加一倍以后能够有效降低竖缝处的流速值,而且多竖缝-堰组合式鱼道能够进一步地降低池室中的流速值。(2)不同堰高的多竖缝-堰组合式鱼道表现出相似的流态分布,随着堰高从0.5m增加到0.8m,堰上通过的流量逐渐减小,池室内平均时均水深逐渐增加、平均时均流速逐渐减小,但池室内最大时均流速一直位于堰上主流区。当堰高h=0.6m时,中间池室内的最大时均流速值、最大时均紊动能值和最大时均雷诺剪切应力值均相对最小。(3)在最优堰高的基础上,进一步优化多竖缝-堰组合式鱼道的竖缝宽度。数值结果表明,不同缝宽的多竖缝-堰组合式鱼道的时均流动结构具有相似性。在缝宽从0.55m增加到0.66m的过程中,池室内的平均时均水深逐渐降低、平均时均流速略微增加,最大时均流速值由位于堰上主流区变换为位于竖缝主流区。此外,竖缝区域的最大时均流速值最多相差8%,堰流区域的最大时均流速值最多相差6%,最大时均紊动能值最多相差20%,最大时均剪切应力值最多相差27%。最大时均流速值、最大时均紊动能值和最大时均剪切应力值这三个参数的变化规律都呈现先减小后增加的规律,因此竖缝宽度不能一直增加。(4)针对所有的多竖缝-堰组合式鱼道,由垂直方向上水动力学参数的分析可知,堰流区域的水流速度随着水深的减小(即在靠近水面的过程中)而增加,但竖缝区域的水流速度在水深方向上变化较小(呈现明显的二维特征)。在堰流区域,随着水深的增加(即在靠近底坡的过程中),紊动能在垂直方向整体上呈现先增大后减小的趋势,但在竖缝区域越靠近水面处紊动能水平越高。此外,堰流区域的雷诺剪切应力在接近水面处偏高,而竖缝区域的雷诺剪切应力在竖缝底部附近偏高。(5)为了证明相较于传统竖缝式鱼道而言,本文推荐的最优方案在不同工况下都拥有对鱼类更友好的水流条件,针对四个流量的流场特征进行对比分析。结果表明,在不同流量工况下,MSWF-6方案在时均流速分布、紊动能水平、雷诺剪切应力分布等方面均优于标准竖缝式鱼道。
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