案例解析|鱼道数值模拟案例

本算例将简要介绍利用Flow3D软件对水电站集运鱼系统中的集鱼廊道进行数值模拟研究的方法。

集鱼系统采用多段式集鱼廊道组成，保证鱼类在到达升鱼机位置过程中能有充分的缓冲和休息。以下图1给出了集鱼廊道局部示意图：

                                                                      图1 集鱼廊道示意图

1、设计流量水位：

本工程正常运行期间三台发电机组全部开启，最大流量为99.8m³/s；下游最低尾水位为1210.08m。

2、 设计流速：

集鱼廊道的设计流速主要根据主要过鱼鱼类的克流能力而定，为满足大多数鱼类能通过最大设计流速不超过为0.4m/s。

本章将对集鱼廊道内部流场展开数值模拟研究，以获得内部的流动特性，对设计的合理性进行探讨。集鱼系统设置在尾水渠右岸，分为前部补水池和后部集鱼段两部分，补水段长19m，集鱼段长26m。补水池与集鱼段通过断面面积为6.25m²的正方形廊道连接。

本次模拟采用正六面体的结构化网格。根据实际计算模型及流量水位关系适当调整网格划分尺寸，网格数量约为120万。

                                                                 图2 鱼道三维示意图

由于自由表面为水体与大气的交界面，因此，自由表面的边界条件设定为压力边界条件，P=Pa（大气压力），F=0（充满空气）。

入口边界采用流量边界条件，入口给定不同工况下的电站出口流量。

出口边界采用压力边界条件，给定出口断面的水面高程及水面压力P=Pa（大气压力）。

壁面采用无滑移壁面条件，给定壁面糙率为0.03。

本次模拟首先假定初始时刻下游水位为各工况下尾水位高程，补水池工作闸门保持一定开度，电站尾水经尾水渠前池部分汇入补水池，经补水廊道进入集鱼廊道，部分通过补水池闸门汇入下游尾水渠，人形闸门按不同工况下来水量保持一定开度，水流顺集鱼廊道流出，模拟结果如图3-图4所示。

                                                  图3 集鱼廊道水深（进口流量99.8m³/s）

如图3所示，集鱼廊道水深范围为1.14~1.43m，集鱼廊道能水深基本保持恒定，补水池水深大于集鱼廊道水深。两台大机组和一台小机组均全部开启工况下最大流量为99.8m³/s，为了使足够流量的水流进入集鱼廊道，首先关闭补水闸门，同时调节进鱼口闸门开度使集鱼井和集鱼廊道水深与流速满足鱼类生存要求。再适当调节补水池闸门开度使集鱼系统进出口流量保持稳定。经初步模拟验证，当补水池闸门开度为0.5m，进鱼口闸门开度为1m模式下，集鱼井和集鱼廊道流速和水深能满足鱼类生存标准。

                                                  图4 集鱼廊道流速（进口流量99.8m³/s）

如图4所示，集鱼廊道中大部分位置流速为0.36~0.68m/s。仅在补水廊道出口处流速大于1m/s，集鱼廊道右岸边壁处流速偏大，而集鱼井流速为0.2m/s，有利于鱼群的休息和升鱼机的整体抬升，因此集鱼廊道内基本适宜鱼类游动和休息，水深和流速均满足设计规范要求。