FLOW-3D模型在鱼道工程水力特性模拟上的应用

GUANGDONG WATER RESOURCES AND HYDROPOWER

广东水利水电

No. 3Mar. 2018

FLOW - 3D模型在鱼道工程水力特性模拟上的应用

诸

(广

N

，广

东广州

东省水利电力勘测设计研究院

510635)

摘要：鱼道可显著改善堤、坝等建筑物阻碍鱼类洄游的现状，本文结合了具体的实际工程，根据对比分析竖缝式鱼道 的流态、流速等水力特性，对FLOW-3D数值模型进行验证，并进行了网格无关性分析计算，结果表明，FLOW-3D数 值模型与物理模型试验吻合度较好。完全可以运用FLOW-3D数值模拟进行鱼道工程的计算。关键词！竖缝式鱼道；数值模拟；流速中图分类号：S956. 3* TV135 文献标识码：A 类

修水利工程

本身的 阻隔，水 灭绝[1<。为

来，为自身的生存和

类

的经济效益

连通性的

却在不同程度 的改变和

$ 3，巧，阻

文章编号：1008 -0112(2018)03 -0015 -04

忽视，造成了

了鱼类上溯的洄游通道，甚至导致了某些洄游鱼类的

护鱼类资源，提出鱼道等过鱼建筑

溯洄游的设隔式鱼道又合式鱼道3

稳定、

。鱼道，也称为鱼梯，是一种使洄游性鱼类能在各 种水利工程中（如水电站，水闸等）实 [5]。鱼道按 分为淹 种*[2]。 对水位 程

采

隔板式鱼道和特殊结构式鱼道[6]。

式鱼道、 的适 这种布

式鱼道

。模型的全长为

71 m、宽2d、坡度纟为4. 2Y，共分21级过鱼池，1 级休息池， 隔的宽为0. 1 m、隔板长度为 1.5 m， 的宽度为0. 1 m、长度为0. 2 m， 宽为0.4 m，每过鱼池之间的间距为2.5 m，休息室的 间距为3.0 m。模型的平面布 图1〜2所。

图1模型的平面尺寸布置示意

为依据，采用的是1 : 5的模型

构可分为池堰式鱼道、槽式鱼道、

式鱼道是一种池式鱼道，因

、过鱼效率高等技术优势，，我国近期建设的鱼道工式[7-8]。鱼道内水

的

______□_____________□_____________□____图2

2 2.1

型方程

本文是基于FLOW - 3D计算平台进行建模。对于 缩的粘性流体，在笛卡尔坐标系下， 应用Navier - Stokes方程下的瞬时控制方程。

连续性方程：

型的面

置示意

国内得到了广泛的工程

决定了一个鱼道的设计是 进行

功。因此，鱼道修

建前要对鱼道的水力特性进行分析研究。由于对鱼道

模型试验分析的成本过高，因此提出数值模

效的

本预算，且方修改果准确

是进行成

值模拟的计

拟的分析方法， 整便捷。

功模拟的关键，因此，本文结合鱼道实际工程，采 模型试验 值模拟结果进行 对，对

FLOW -3D 值模型进行验证， 果吻合度较高，则可采用FLOW - 3D数值模拟进行鱼道工程的计算， 从而降低成本。1

模型的建立本

模型的建立是以某实际竖缝式鱼道工程

为 述封闭方程得到解析解，目前主 过各

种紊流模型求解时均条件下的连续性方程以及Navier

Navier - Stokes 方程:

收稿日期：2017-10-18;修回日期：2018 -02 -08

作者简介：诸韬（1992 -)，男，硕士，助理工程师，主要从事水土保持、水力学及河流动力学研究。

•

15 •

2018年3月第3期诸韬：

FLO'

-3

D模型在鱼道工程水力特性模拟上的应用

脉平⑶

给定初始水位，水面水平， 2.4模拟工况

No. 3 Mar. 2018

为静水压，FLOW-长值。

-Stokes万程的数值解，将瞬时值写成时均值

动值，代入连续方程和运动方程，并对方程 。时

方程：

3D自带初始步长设置，在此不赋

代入精确方程，得时均值方程。连续性方程：L=0

模拟工况主要根据《水利水电工程鱼道设计导则》 SL 609— 6013,根据鱼道上下游水位在上、下游运用 水位较为稳定情况下进行分析。本文所模拟的鱼道上、 下游设计水位

1所

。

m

⑷

表1鱼道上下游设计水位

Navier - Stokes 万程：

3 取 Tt d V,

1 dp 1 ) / )在

St pxj p px, p PXj\\ p@>-P、⑶

式中为雷诺应力项，其中 为流速分量；p是

体的密度；P是作用在流体 的 ；L是体积力分量；/0为紊动粘性 。

22计算区 网 分

模型的建立是按照物理模型的比尺进行1 : 1 建立，全长为71m、宽2 m、坡度i为4. 6Y，共分61 级过鱼池，1级休息池， 隔的宽为0. 1 m、隔板

长为1. 5 m， 的宽为0. 1 m、长度为0. 6 m，竖缝宽度为0.4 m。对所模拟的计算段进行笛卡尔坐标系 下网

分，3

方向的网

位均为m，以方

便模型的建立。

度方向为z轴负方向，水

方向从上游到下游为@正方向，鱼道宽度方向从右岸 到左岸为A轴正方向，坐标原点为进 心高程为0

的点。网采 构化网格；网 何 自动耦

合，总网 500万，模型网

体图

如图3所

。

图3模型的网格求解域立体示意

2.3 和初始条件和初始

所给定的参数，如设定的水

位

1所

。模型的进口和出口的 采

并 设 的原 型 设计水 位。 鱼 道

、 部等处均为固体

，查阅资料，

抹灰层，且经过抹光的 钢筋

，3

度为0.065〜0.18 cm，此模型 平 度，为

0.07 cm。水槽的 为自由水面，忽略风引起的切应

和

层的热交换，自

对速度和紊动

可

为对称平面处理。上下游设定初始水体范围，并且16

游水位下游水位备注

3.20

6. 53

3. 60 m为游正水位；6 53 m为下游多年平 潮水位

3 结果与分析

3.1(

对 分析

鱼道沿程隔板进行编号（如图4所

#，对其进

行数值模拟计算，

层和底层数值模拟的：断

平 值和实验实测的 平 据进

行对比，如图5和图6所。由图5和图6可知，物 模试验的数据 值模拟值的数据趋势基本一致。数

值模拟值的数据偏大，底层的最

对误差在5.Y

内，表层的最 对误差在5Y以内。

入o流

rI II

1

,!

I

：〇

|1

-2匕3

LL出流

-6 [78910[1 山

213 [14-1516-1718-1920 [2122

图4模型鱼道隔板编号

1 I I I i i i i i i i i i i i i i i i i i r

_______________3 5 7 9竖 缝1位1 置编13 号______________

15 17 19 211 on

1 I

I

3

I

I

5 | I 7 | I 9 I I 11 I I 13 I I 15 I 1I 7 | I 19 !

I

21

竖缝位置编号

图*沿程方向表层竖缝断面平均流速值对比

2018年3月第3期广东水利水电

No. 3 Mar. 2018

3.2网格无关性分析

在网 性分析时，对验证模型的竖缝式鱼道，

分别采用400万、500万、600万、700万计算网格对 同尺度的计算区域进行

，并将4种网

计

算得到的检测点的 进行对比， 测点的断如图7所。将这4种同网 计算得到的监测点位置的 平 模型实验的测量进行了对比， 400万计算网格和 模型实验测量的数据误 ，700万网格的偏差最小，500万网 600万网 于这二者之间，但是总体来说4种网

间的计

果的误

并

著的差

。因此，综合计 果 模型实验成果之间偏情况的分析，认为500万的计算网格效率最高，故 最 择该 的网格对各工况进行计算分析。其速

度对 果

6所。

图7监测点断面编号

表2不同网格计算结果对比

m/s

编1234

物理模型结果1.651.491.411.35400 万网1.541.331.331.21500万网格1.741.561.391.33600 万网1.681.481.431.39700万网

1.61

1.44

1.44

1.37

此

，本论文还进行了4种同网

下 鱼道底层和表层 分布云图

分析，分析

，各对应位置的 分布基本一致，对区域的

分布 本相同，进一步验证了网

性的

论，

图如图8、9所示。3. 3

水力特性分析

于鱼道内部水力特性的错综复杂，为更进一 的分析鱼道内部水动力情况，对鱼道进行了流速分 布、紊动能的分析。

图10 看出：鱼道进口处来流平顺，无不良水， 于下游水位差总体

，整个鱼道内

的

，水流经过各级隔板进入池

，受

；

式隔板的挤压， 间 明 ， 最1平 为1. 77 m/s。由于水流受到竖缝的挤压，一部分水 弯曲 向下一级

，另一部

分水 到下一级隔板，受到隔板的拦阻

偏

，

的

区，可供鱼类休憩。

(b)500万计算网格底层流速分布

00—'

142 '

28^4

'

4Z6

'

S

'

71.0(J600万计算网格底层流速分布

-0.72

-0.32

0.09

0.49

0.89

1.30

1.70

~'

142

'

284

'

4Z6

'

56^

X

(d)700万计算网格底层流速分布

图8不同计算网格底层流速分布

( a) 400 万计 网

层

分布

(b) 500万计算网格表层流速分布I-0.0 ------1-------14.2 1-------1-------28.4 1-------1-------42.6 1-------1-------56.8 1-------1-------71.0

1(J600万计算网格表层流速分布

-0.70

-0.29

0.12

0.53

0.94

1.35

1.76

0.0

14.2 28.4 X

42.6 56.8 71.0

(d)700万计算网格表层流速分布 图9不同计算网格表层流速分布

•

17 •

2018年3月第3期诸韬：

FLO'

-3

D模型在鱼道工程水力特性模拟上的应用

1.77

No. 3 Mar. 2018

-0.93 -0.48 -0.03 0.42 0.87 132

2)通过对比4种不同网格数量下鱼道的流速分布 图

测点

对比得知，各对应位置的

分布

论。

分

布基本一致，对区域的

本相同，验证

0.0 14.2 28.4

X42.6 56.8 71.0

网 性的

参考文献：

[1] 汪红波，王从锋，刘德富，等.兴隆水利枢纽工程鱼道

水 值模拟[J].水利水电科技进展，2013(5): 47 紊流对鱼类生存有影响，对于掺混强的水流，鱼

-51.类会产 适，当紊动 时，对鱼鳞、鱼鳃产生破

[2] 刘志雄，周赤，黄明海.鱼道应用现状和研究进展[J].， 害鱼的眼睛。鱼类在巡游时 避开

长江科 ，2010, 27(4): 28 -31，35.

高紊流区域，所 位质量紊动能&较小时 于鱼

[3] 宇，严忠民，陈金生.鱼道的生态廊道功能研究[J].

类通行。如图11所，鱼道内的紊动 值总体

水利渔业，2006 (03): 65 -67.

大，最大值为0.222 m2/s2;竖缝处的紊动能要大于回

[4] 王桂华，夏自强，吴瑶，等.鱼道规划设计与建设的生

区的，但总体来说， 过鱼 。方法研究[J].水利与建筑工程 ，2007(4): 7

-12.

[5]毛熹，脱友才，安瑞冬，等.结构变化对鱼道水力学特

性的影响[J].四川 （工程科学版），2012(3):13-18.14.2 28.4 42.6 56.8

X[6 ] INFLUENCE OF STRUCTURE ON HYDRAULC CHARACTERISTICS

图11鱼道紊动能等值线示意OF T SHAPE FISHWAY [ J]. Journal of Hydrodynamics，

2012(5) ： 684 -691.4结语

[7]边 永欢，孙双科.竖缝式鱼道的水力特性研究[J].水利

1) 过对比分析试验数据与模型数据得知，试验

学报，2013 (12): 1462 -1467.

值的数据 值模拟值的数据趋势基本一致。数值模

[8] 高柱，戴会超，郭卓敏，等.隔板型式对竖缝式鱼道水

拟值的据偏大，底层的最 对误差在5.2Y 内，

力特性的影响研究[J].水利水电技术，2014, 45(10):

层的最 对误差在5Y 内，由此 ，本次研37-41.

究的数值模拟的计算精度 ，因此 -3D流体计算软件对鱼道进行数值模拟计

。

FLOW符合

(本文责任编辑王瑞兰）

图10鱼道流速分布示意

Application of FLOW - 3D Model in Simulation of Hydraulic Properties of Fishway Engineering

ZHU Tao

(Guangdong Hydropower Planning&Design Institute， Guangzhou 510635，China)

Abstract:

The fisliway can significantly improve the present situation of thie dam，dam building block fisli migration，in this paper，

combined with specific engineering， according to the analysis of vertical seam type fishway FLOW pattern and hydrauliccharacteristics，such as FLOW velocity，FLOW -3d numerical model for authentication，and has carried on the grid independence analysis and calculation，the results show that the FLOW - 3 d numerical model in accordance with the physical model test is better.So FLOW - 3D numerical simulation can be used to calculate the fisJiway project.Keywords: vertical slot fishway; numerical simulation； velocity

•

18 •