异侧竖缝式鱼道的数值模拟及试验研究

竖缝式鱼道具有隔板型式简单、水流条件好、主流位置明确等特点,适宜喜爱不同水层鱼类洄游,是目前应用最为广泛的过鱼工程。参考规范要求,以实际工程为例,初步设计3种鱼道池室隔板型式,利用数值模拟的方法,以第1种鱼道池室结构搭建数学模型计算出的竖缝位置流速和池室表层水流流态,与物理模型试验结果进行对比,验证数学模型隔板型式尺寸优化的合理性。根据池室内的水力特性优化隔板型式,对确定的优化隔板型式以比尺为1∶5的局部物理模型试验对不同竖缝处不同水深进行流速测量,以尺为1∶20的整体物理模型试验对竖缝处流速以及沿程水深进行测量。试验结果表明,当鱼道出口水深不小于进口水深时,即运行工况1和运行工况4,各隔板竖缝附近流速均小于设计流速1.2 m/s,当鱼道出口水深小于进口水深时,即运行工况2和运行工况3,鱼道进口处隔板竖缝附近流速较大,运行工况2时,最大流速为1.319 m/s;运行工况3时,最大流速为1.561 m/s,均超过设计流速1.2 m/s。建议鱼道在工况1和工况4条件下运行。同时对始水状态下鱼道的水力特性进行分析,建议采用流速为4 m/s的冲击流速值加强对鱼道首部数级水池隔板与导板的结构设计...     

多折回通道型同侧竖缝式鱼道竖缝流速特性研究

多折回通道型同侧竖缝式鱼道水力特性复杂,竖缝流速特性是研究的重点问题。针对多折回通道型同侧竖缝式鱼道进行模型试验研究,系统分析了鱼道竖缝流速特性。试验选择了3组不同流量、水位工况,实测了不同工况下竖缝表面及底部流速沿程分布情况,总结了多折回通道型鱼道在不同通道区段竖缝流速沿程分布规律,分析了影响竖缝流速大小的因素。针对工况3竖缝流速偏大的问题,试验采取了对鱼道边壁加糙的优化设计方案。边壁加糙措施增强了鱼道的消能作用,有效降低了鱼道竖缝流速大小。试验研究成果对类似鱼道工程设计及研究具有很好的借鉴意义。     

竖缝宽度对双侧竖缝式鱼道水力特性的影响研究

鱼道是帮助鱼类洄游、产卵的人工通道,但目前很多已建的鱼道因流态差、进流口诱鱼效果不理想等原因而导致过鱼率偏低,因此鱼道的水力特性研究意义较大。论文应用fluent软件建立了双侧竖缝式鱼道的数学模型,并对其进行了10种不同缝宽的水力特性数值模拟,结果表明竖缝宽度对双侧竖缝式鱼道池室流场结构分布、主流形态以及竖缝断面流速分布有较大的影响。当竖缝相对宽度在0.06～0.125时,鱼道流场结构分布较合理,主流有效利用率高且主流沿程衰减较好,竖缝断面的流速分布也比较均匀。     

单个池室竖缝宽度束窄对鱼道水力特性的影响

针对实际工程中因施工工艺等原因造成鱼道竖缝尺寸误差对过鱼效果的影响,通过物理模型试验,进行了单个池室竖缝宽度束窄对鱼道水力特性的影响研究.试验表明,当鱼道某个竖缝束窄后,竖缝上游侧池室水深增加并形成壅水曲线,影响范围可达5～15个池室,下游侧池室水深急剧降低后又很快恢复,仅影响1～2个池室.当束窄程度达到40％(k=0...     

竖缝式鱼道90°～180°转弯段水力特性及优化研究

受鱼道进出口位置、工程地质、枢纽布置等因素限制,鱼道工程需要布置不同角度的转弯段池室,以适应复杂多变工程环境。采用数值模拟的方法,研究了同侧竖缝式鱼道不同转角α(90°≤α≤180°)的转弯段池室流场分布规律,并对不同转角池室提出了系统的优化措施。结果表明,当转弯角度α大于90°时,均出现主流冲击外侧边壁,池室中部伴有大尺度回流区的现象,并随着转弯段角度α增大,主流冲击程度加剧,回流区尺度也进一步扩大。针对上述流场问题,采用加设整流导板的措施进行优化,提出转弯角度α介于90°～140°之间时,整流较好的导板位置α0/α值由1/4.0增加至1/2.8,当α介于140°～180°之间时,α0/α值基本稳定于1/2.8～1/3.0之间,即随着转弯角度α的逐渐增加,较优的α0/α值呈现先增加后趋于稳定的变化趋势,可为转弯段结构相似布置鱼道优化设计提供参考。     

孔缝组合式仿生态鱼道流动特性数值模拟研究

根据某工程特点和过鱼要求,建立了孔缝组合式仿生态鱼道三维紊流数学模型,从池室流态、主流流速衰减规律和紊动能三个方面分析了底孔、底宽和边坡等鱼道结构变化对鱼道池室水流条件的影响,并用模型试验对数值模拟结果进行验证。分析结果表明,仿生态鱼道具有明显的三维水流结构,其主流明确,流态良好,整体紊动能不大,底孔和竖缝处最大流速基本一致,在1.0 m/s左右,基本满足四大家鱼等经济鱼类上溯要求;增设底孔为中底层鱼类增加了上溯路径,并且使得池室流态更为丰富,能够有效提高过鱼效率;底宽和边坡变化对鱼道池室水流条件的影响不大,实际应用可根据地形地质条件作适当调整。     

一种消能通道与过鱼通道独立的新式Tesla阀鱼道及其水力特性研究

Tesla阀特殊的结构形式，可以将反向流入的水流分别导入直/弯两组通道，并在导流柱末端摩擦碰撞进行消能，使池室内流速大大削弱。这种独特的流动特性非常适合用于设计鱼道，然而直接移用Tesla阀原始结构作为鱼道已被证实具有显著局限性。对原Tesla阀鱼道进行了结构优化，通过调整池室直/弯道宽度比，镂空导流柱并增加开口端长度等措施，得到了一种消能通道与过鱼通道相对独立的新式Tesla阀鱼道。利用数值模拟对比了优化后Tesla阀式鱼道与原方案的水力特性参数，重点分析了新式Tesla阀鱼道的流速变化规律、流场及紊动能分布情况。结果表明：新式Tesla阀鱼道相较于原方案具有明显优势，在保证消能效率不变的前提下，有效改善了池室流态，整体流速和紊动能较原方案更小。新方案显著提升了休憩区占比，池底比降范围为1%～3%时，原Tesla阀鱼道中休憩区占比为8.5%～1.2%，而新式Tesla阀鱼道内休憩区占比为44.7%～25.8%，增加了鱼类上溯成功的可能性。新方案池室内流速和紊动能随着底坡比降增加而增加，但过鱼通道内始终保持较低流速，而大流速主要出现在消能通道内。前两级池室消能通道中最大流速增涨率较高，...     

弱混合条件下支流入汇口水力特性数值模拟

库区河道中支流来流较小时，水体和污染物受到干流的阻碍作用滞留在支流入汇口，严重时易在支流暴发水华。采用数值模拟结合水槽实验的方法，研究了弱混合条件下支流入汇口的水力特性。采用RNG k-ε紊流模型封闭水流控制方程，建立了明渠交汇水流三维数值仿真模型，模拟所得垂向流速分布及流场矢量图等结果与水槽试验数据吻合程度较高。基于4种汇流比和3种交汇角工况的数值模拟结果，提出了弱混合条件下支流入汇口水流结构分区，分析了不同交汇条件对入汇口关键水力特性的影响。研究发现：弱混合条件下支流入汇口右岸产生回流形成回水区，左岸水体受到挤压形成加速区，回流流速峰值出现在近右岸壁面处；不同交汇角条件下回水区长度大小为：150°>30°>90°，回水区长度随着汇流比增加而逐渐减小直至回水区消失；回水区最大宽度处距交汇区距离与汇流比成反比；入汇口紊动能峰值区域面积和峰值大小与汇流比成反比，与交汇角成正比，交汇角对紊动能的影响较汇流比更大。     

不同工况下Y型网式过滤器流场数值模拟分析

为探究网式过滤器的水力性能,充分了解网式过滤器内部最初流场、滤芯网面流量分布情况,应用计算流体动力学方法对网式过滤器3种入口流速(0.5、1.5、2.5 m/s)以及3种滤网目数(60、80、100目)对过滤器流场进行数值模拟。通过试验对模拟结果的可靠性进行验证,结果表明：过滤器的水头损失集中在出口侧滤芯上,该部分水头损失占总损失的87%;水流在腔体内可分为出口侧加速区、出口侧减速区、堵头回流区和漩涡区4部分;滤网面流量分布严重不均,高流量区域主要分布在出口侧,入口流速由0.5 m/s增至2.5 m/s过程中,网面最大与最小流量均相差3.3倍,滤网目数为60、80、100目时,网面最大与最小流量相差3.3、3.1、2.3倍,且滤网目数增至100目时,最大与最小流量位置向两侧偏移;堵头处死水区压力大、流速低,泥沙易于沉淀,建议扩大堵头容积以承接更多的泥沙;可以考虑增大腔体体积、改变腔体角度、在入口处设置导流片,从而改善流场分布;建议在滤网上增加环状片体,改善网面流量分布,从而提高过滤器的使用寿命以及过滤效率。     

基于弯道水力特性的蛙道构建与数值模拟研究

为有效提高渠系水利用系数和耕地利用率,灌区末级渠系普遍采取硬质化建设,又因受到渠道规模和防渗要求的约束,生态化改造相对匮乏。为解决灌溉渠道造成的稻作区两栖动物生境破碎化问题,结合灌区末级渠系输配水的实际情况,创新性地将弯道水力特性应用于灌溉渠道生物通道研究,通过建立硬质化农渠弯道的三维水流模型并开展数值模拟试验,模拟了不同弯道处于稳定输水条件下的水力特性,分析了水流结构对渠内蛙类运动轨迹的影响,提出了弯段生物通道的设计方法,并通过水流数值模拟和水头损失计算,评估了设置蛙道对蛙类逃脱效果和渠道输水效率的影响。结果表明：90°弯道出弯断面的纵向流速分布和横向环流结构有助于黑斑蛙利用水动力条件逃脱,并由此提出蛙道位置和结构形式的设计方法;结构变化对水流流态和输水效率并无明显影响,水流结构有利于渠内蛙类逃脱,最大沿程水头损失约为3.83×10^-4 m,能够同时保证蛙类迁移效率和水流安全通畅。研究成果可为灌溉渠道生态修复提供理论依据和技术支持。