研究入口的位置的鱼道河与CFD和ADCP监管gydF4y2Ba

文摘gydF4y2Ba

Simulation-driven设计与计算流体动力学被用来评估流下游水电站的问候上游迁徙的鱼类。实地测量当前分析器进行声学多普勒,和测量被用来验证模拟。测量表明一个更不稳定的流动模拟,和尾水渠喷气涡轮机更强的模拟。鱼道入口是包含在模拟,以及随后吸引水评估两个入口的位置和两个角度不同涡轮排放。结果表明,职位都是可行的,一个位置从鱼道没有流向与流量水发电厂将产生巨额的吸引力。模拟下游也执行流的涡轮机满足当前的旧河床鱼段上游迁徙的鱼类。旧河床进行了修改,在模型中作为一个场景生成水更好的吸引力。这大大增加了吸引水虽然不能与尾水洞的流。gydF4y2Ba

1。介绍gydF4y2Ba

计算流体动力学(CFD)是用来模拟水电站的尾水渠通道内流动的目的审查替代职位进入鱼道。模拟是进行全面暗示一段320米的虚拟模型,一个典型的宽75米,一个典型的10米的深度,最大进气流量的1000米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/ s。大规模数值的挑战是满足条件的充分解决高梯度流结构的位置(例如,在边界)和一个好的网格整体和一个像样的使用计算资源(Marjavaara Lundstrom [gydF4y2Ba1gydF4y2Ba])。另一个挑战是验证的模拟是通过测量声波多普勒流分析器(ADCP)。gydF4y2Ba

标记大西洋鲑鱼和鳟鱼的研究不受监管的河Vindelalven在瑞典北部1995 - 2005显示,只有三分之一的上游迁移鱼找到自然产卵(Lundqvist et al。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba])。主要原因是Stornorrfors电厂位于下游河流Vindelalven和Umealven之间的融合,后者是一个监管的河。电厂的主要问题是,鱼被吸引到尾水渠通道从涡轮机而不是迁移到周围的旧河床提供了鱼道涡轮机(Rivinoja et al。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba])。涡轮的流量通常是20倍的流量从旧河床及其进入融合很广。因此,流体旧河床条件来吸引鱼是有限的。这一事实迁移鱼尾水渠的涡轮机所吸引而不是鱼道的弱电流是一个常见问题(Arnekleiv和Kraabøl [gydF4y2Ba4gydF4y2Ba],韦伯[gydF4y2Ba5gydF4y2Ba])。上游迁移鱼碰到的困难在监管河流在瑞典北部已经记录了,例如,Rivinoja [gydF4y2Ba6gydF4y2Ba],Lindmark [gydF4y2Ba7gydF4y2Ba],和Lindmark Gustavsson [gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

有两个主要的措施正在考虑提高上游迁移Stornorrfors鱼的发电厂。一是构造一个新形式的鱼道的鱼梯尾水渠通道由于多数鱼居住在很长一段时间在迁移的季节。另一个替代方法是创造更好的吸引水从旧河床到融合区域。选择来这里和CFD建模,创建的吸引力水使用检查配置。流动的数值模拟河流的兴趣正在增加,,由于用户友好的高效编码的快速发展和计算机能力近年来,比以前更高级的模型可以应用在鱼等领域迁移,生境建模、沉降运输、侵蚀和大坝安全。奥尔森和StoksethgydF4y2Ba9gydF4y2BaSokna河)创建了一个模型,在挪威,他们应用了gydF4y2Ba湍流模型和porosity-based模型对大型河床粗糙度元素与观测数据显示良好的相似之处。SSIIM模型提出验证奥尔森LDA测量在实验室规模的蜿蜒的通道(威尔逊et al。gydF4y2Ba10gydF4y2Ba])的模型显示捕获二次电流的能力。CFD也被应用于河流科尔,英国伯明翰(Clifford et al。gydF4y2Ba11gydF4y2Ba),这条河Thame,英国伯明翰(布克gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]),潜在的栖息地中使用模型进行了讨论。的数值模型4公里的哥伦比亚河下游Wanapum大坝已经完成和校准测量数据突出显示为准确流床粗糙度预测的重要性(Sinha et al。gydF4y2Ba13gydF4y2Ba])。Dargahi [gydF4y2Ba14gydF4y2Ba)使用流利的商业代码模型流体流动和沉积物运输在河里Klaralven,瑞典,ADCP测量和验证结果。淹没流导向装置的设计,增加下游迁徙的鱼类的生存能力已经完成在商业代码CFX-10 (Lundstrom et al。gydF4y2Ba15gydF4y2Ba])。模拟流在一个冰雪覆盖的渠道gydF4y2Ba湍流模型与不同的河床粗糙度值和冰盖导致通道的平均流量增加16%深度(Yoon et al。gydF4y2Ba16gydF4y2Ba])。淹没堰的影响在自然渠道改善航行条件驳船已经调查数值(贾et al。gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,gydF4y2Ba18gydF4y2Ba])。gydF4y2Ba

Rakowski et al。gydF4y2Ba19gydF4y2Ba)与ADCP实测使用来验证他们的CFD模拟的下游2.7公里到达开始博纳维尔强国之间总河流和溢洪道3275米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/ s和11328米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/ s。速度测量和平均在10分钟内平均速度的适当的表示。当比较的CFD模拟(稳定状态,gydF4y2Ba湍流模型)ADCP数据,建模速度略低于测量,但是在速度场的标准差。Viscardi et al。gydF4y2Ba20.gydF4y2BaADCP测量来验证)也用CFD模拟3公里的巴拉那河·德·拉斯帕尔马斯河流量从2200到5000米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/ s(稳定状态,gydF4y2Ba湍流模型,刚性盖子、床曼宁糙率gydF4y2Ba)。在他们的情况下,速度是2秒长度的平均值在每个垂直样品为了最小化的影响潮汐变化和速度对应合理准确。总而言之,two-equation湍流模型在大多数情况下用于模拟流入河流和没有人考虑如何吸引水从鱼道在河里流的竞争。gydF4y2Ba

2。几何gydF4y2Ba

实际几何本研究由四部分组成,隧道从涡轮机、尾水渠通道,旧河床,融合区域,见图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba尾水渠通道和旧河床被定义。的融合区域位于水从旧河床和尾水渠频道见面,而隧道的涡轮机位于上游放水路通道。CFD计算上执行的所有部分,除了旧河床,虽然速度测量只是报道的横断面内放水路通道。gydF4y2Ba

3所示。实验gydF4y2Ba

速度测量拓扑和水下游Stornorrfors发电厂,ADCP使用。ADCP有四个传感器直接入水中。传感器发出声波,反思小颗粒与水旅行,和传感器检测反射声波的多普勒频率。这些频率是成正比的速度水(粒子)。ADCP是一个相对快速的方法测量速度场和计算河道流量。ADCP在这种情况下使用是河船RioGrande,和执行数据处理软件Winriver二世从RD仪器。gydF4y2Ba

该地区深度测量法测量使用两个设置。ADCP是除了摩托艇拖杆和绳子,使测量接近海岸线。结合GPS数据的ADCP的海底跟踪特性,组成的点云ADCP在特定卫星提供深度坐标。然而未能找到ADCP尾水渠最深的底部区域通道;因此,SIMRAD EY60, GPT 200 kHz,分裂波束回声测深仪换能器垂直安装在尾水洞出口附近的船使用。有一个小浅尾水渠的一部分,位于上面和后面的隧道出口。GPS信号很低这遥远的溢洪道由于周围的地形造成了坐标中巨大的不确定性。这个地区大约50米的长度,和观察表明,它由一个缓慢循环流和溢洪道的假设是,这部分没有任何显著的影响在剩余的流量通道。因此省略了从数值模型,入口最深处的这部分被排除在几何学。测量的点在图所示gydF4y2Ba1(一)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

速度测量,钢丝是横跨尾水渠通道,ADCP拴在它。手动绞车使ADCP穿越海峡和捕获整个横截面的速度。T1横断面图gydF4y2Ba1(一)gydF4y2Ba测量几次在不同涡轮排放和至少四次在每一个流。三垂直的配置文件样T1和T2 3横断面测量至少在600年代。资料收集的流量通过电厂时~ 500米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/ s(根据WinRiver流量计算和数据从水电公司)。剖面测量时差0.95年代之间的集合体。在测量过程中,距离岸边用激光测距仪测量。T1部分的总宽度测量40米,和配置文件都位于16,23岁,32 m的南部海岸。横断面T2有测量85米,宽度和垂直位于30,44岁,从北岸和59 m。gydF4y2Ba

ADCP的准确性取决于许多因素,如旁瓣干扰,振铃,ADCP-flow交互排除做任何的ADCP测量水面附近或接近河流的底部(辛普森和Oltmann [gydF4y2Ba21gydF4y2Ba])。Nystrom et al。gydF4y2Ba22gydF4y2BaADCP准确性)相比具有声学多普勒测速计(副词)在实验室水槽内流的湍流强度为0.1。ADCP测量进行了15分钟期间,误差小于3%,远离边界的地区不受响,旁瓣干扰,干扰流动。gydF4y2Ba

4所示。数值设置gydF4y2Ba

收集到的点云ADCP和SIMRAD如图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba在软件转换为底面Imageware 13。表面是导入到有限元分析软件Icem Cfd 11创建一个实体模型。形成几何是分为两个部分,尾水渠通道和通道之间的交汇区,旧的河床。模拟卷被离散为四面体元素CFD模型。局部细化网格的地区进行了水模拟的吸引力提高分辨率的最有趣的地方流动。所有与商业软件模拟进行了从Ansys CFX11 Inc .的网格敏感性研究尾水渠通道进行了不同数值网格,从239 k到7389 k节点。东方向的速度是评价在T1和T2为不同的网格和粗网格的结论是没有捕捉到流场具有足够精度。然而网格与526 k节点产生一个非常相似的流场的7389 k网显著降低计算成本。因此,最终的网格尾水渠频道由~ 500 k节点和融合面积~ 600 k节点。gydF4y2Ba

在现实中,来自发电厂的水通过一个大约4公里长的隧道进入尾水渠通道。创建一个实际的入口边界条件的模拟,这条隧道分别建模,流速剖面在隧道的尽头是用于尾水渠的入口通道模拟。隧道有足够的长度给一个完全开发的速度剖面,和隧道壁的壁粗糙度典型挖掘岩石。gydF4y2Ba

高分辨率的平流方案被用于求解流体运动方程和湍流闭合。高分辨率的方案使用接近二阶解变量梯度较低的地区,,的区域梯度急剧变化,它将接近一个一阶的解决方案(ANSYS [gydF4y2Ba23gydF4y2Ba])。不可压缩的Reynolds-Averaged纳维斯托克斯方程和连续性方程表示为gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba是平均速度分量的一部分,gydF4y2Ba的压力,gydF4y2Ba液体的粘度,gydF4y2Ba是流体密度,gydF4y2Ba雷诺应力。所有模拟运行gydF4y2Ba湍流模型与可伸缩的墙功能。在gydF4y2Ba湍流模型,雷诺应力应变是线性相关的:gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba是湍流动能,gydF4y2Ba是涡流粘度,gydF4y2Ba应变张量定义为是意味着什么gydF4y2Ba

建模为涡流粘度gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba是一个模型常数和gydF4y2Ba是湍流耗散率。有关更多信息,请参见槽和斯伯丁gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]。RMS剩余目标模拟都设置为10gydF4y2Ba^{−6gydF4y2Ba}。这融合目标可能无法实现稳态解算器由于初始流的波动。模拟是而不是运行在一个瞬态解算器,直到找到一个稳定的解决方案,最后值模拟。物理时间步长为0.5 2 s选择取决于网格大小,和解决方案被认为是稳定的,当速度在18点监控整个域几乎持续了至少1000次的步骤。gydF4y2Ba

水面与零摩擦建模为刚性的盖子。这个近似是可行的,当表面能级变化小于10%的总渠道深度(罗德里格斯et al。gydF4y2Ba25gydF4y2Ba])。给出了出口压力边界条件类型。底部表面数值模型被定义为一个粗略的墙。一个可伸缩的墙函数使用一个扩展的方法建议gydF4y2Ba24gydF4y2Ba)被选为墙附近的建模。无量纲速度gydF4y2Ba在对数层接近粗糙的墙壁通常写成gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba是摩擦速度,gydF4y2Ba是在距离速度切在墙上吗gydF4y2Ba从墙上,gydF4y2Ba是无量纲墙单元,gydF4y2Ba壁剪切应力,gydF4y2Ba卡门常数,gydF4y2Ba是一个常数,然后呢gydF4y2Ba是所谓的粗糙度特征函数。由于粗糙度的通道并没有很好的记载,粗糙度的全球表示被选中。墙上的粗糙度可以被描述为一个等价的砂粒粗糙度,gydF4y2Ba(ANSYS [gydF4y2Ba23gydF4y2Ba])。有了这个配方,粗糙度表征函数可以被描述为(白色gydF4y2Ba26gydF4y2Ba])gydF4y2Ba 无量纲粗糙度高在哪里gydF4y2Ba被定义为gydF4y2Ba

获得一个现实的价值相当于砂粒粗糙度的频道,实证Gauckler-Manning系数gydF4y2Ba描述信道选择(Arcement和施耐德(gydF4y2Ba27gydF4y2Ba])。使用曼宁的的优势gydF4y2Ba而不是其他系数gydF4y2Ba几乎是恒定的,不管流深度、雷诺数吗gydF4y2Ba,或gydF4y2Ba为充分发展湍流在粗糙表面(日元gydF4y2Ba28gydF4y2Ba])。所选的gydF4y2Ba达西是用来计算摩擦系数gydF4y2Ba给出的gydF4y2Ba

然后使用获得的摩擦系数gydF4y2Ba从Colebrook-White(科尔布鲁克公式gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba])gydF4y2Ba 和派生gydF4y2Ba最后用于输入到模拟。在目前的情况下,第二项(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba)可以忽略了由于高雷诺数的流动。gydF4y2Ba

墙上函数方法是常见的河流模拟由于粗糙度的尺度是非常昂贵的模型身体这么大尺度的问题。讨论了该方法的局限性,帕特尔(gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba]。由于粗糙度只是一个近似值,是难以在现实中,衡量一个参数研究是在数值模型中执行的流率350gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/ s的涡轮机。gydF4y2Ba

没有表面粗糙度,飞机离开隧道几乎没有叶子的底部通道不可能考虑到自由表面通道流的特点,见图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。与一个gydF4y2Ba0.3米(曼宁的价值gydF4y2Ba),可以被认为是典型的摇滚挖掘通道尾水渠等通道,流动特性的变化很大。现在飞机走出隧道走向自由表面的通道。增加gydF4y2Ba0.5米(曼宁gydF4y2Ba)没有任何重大影响的解决方案,和所有模拟在尾水渠频道后,运行gydF4y2Bam。gydF4y2Ba

两种方式改善上游鱼类洄游的电厂进行了研究:一个新的鱼道尾水渠通道和更高的吸引力旧河床。尾水渠的频道,两个位置和两个角的新鱼道入口进行了评估。从以前的观测位置选择的鱼在迁移的季节。入口的尺寸gydF4y2Ba米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba,所使用的流量是10米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/ s。鱼道入口的两个入口角度垂直,45°的主要流程。gydF4y2Ba

融合区域的修改来提高吸引力旧河床实现了通过添加墙距离河岸导演几乎所有的流动在旧河床狭窄明渠和墙之间的海岸线。在这样打开水可能会加速斜坡,例如,建议在Lindmark和GustavssongydF4y2Ba8gydF4y2Ba和绿色等。gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba]。流在旧河床被设置为20米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/ s和尾水洞的500,750,1000gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/ s,代表低流,一个正常的流动,流量接近最大流量,分别。gydF4y2Ba

5。结果与讨论gydF4y2Ba

流将被描述的特点,其次是实验数据的比较,最后模拟的结果将吸引水。gydF4y2Ba

5.1。描述流动的模拟gydF4y2Ba

流退出隧道以射流的形式,逐渐发展成一个开放的通道流量剖面。大约2/3的通道长度后,飞机最大速度是表面的水,可以看到图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

然而影响飞机表面定向流动渠道透露的情节更早的涡度和湍流强度在一架飞机在1米深度,见图gydF4y2Ba4(一)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba5(一个)gydF4y2Ba。High-vorticity地区发现底部的通道的边缘附近的通道和大面积扩张后的再循环,在北岸附近,但也有明显的旋转流接近表面附近尾水渠的入口通道,看到数字gydF4y2Ba4(一)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba4 (b)gydF4y2Ba。这也反映在这个地区相对较高的湍流强度,看到数字gydF4y2Ba5(一个)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba5 (b)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

5.2。对比实验gydF4y2Ba

ADCP测量的结果在尾水渠通道产生一个不稳定行为的流程,见图gydF4y2Ba6gydF4y2Ba显示一个gydF4y2Ba米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba节中间的T1横断面在五个不同时期ADCP被平均的原始数据gydF4y2Ba米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba细胞。连续测量,速度与横断面归一化平均速度占总流量的细微差异的隧道。飞机的隧道是在所有的横断面但不明显的定义为在模拟,比较数据gydF4y2Ba3gydF4y2Ba和gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。检查流的时间依赖性,ADCP是保存在相同的位置和速度是衡量在更长一段时间。三垂直的概要15岁,22岁,从南海岸测量31米。标准偏差的平均距离是0.01 - -0.02米。测量的结果表现出高度波动流。初始频率分析并不意味着任何周期性;然而,它不能排除波动是影响大规模流的结构,来自上游不稳定。如何均方根速度(东)稳定时间显示为概要文件在22米图吗gydF4y2Ba7gydF4y2Ba。从结果,得出测量代表意味着速度,每个概要文件必须在至少600年代测量。测量了gydF4y2Ba完整的gydF4y2Ba横断面呈现在图gydF4y2Ba6gydF4y2Ba花了120年代这意味着这些测量绝不代表样的平均速度,这就解释了不同的速度模式。gydF4y2Ba

验证模拟,定点测量在T1和T2的时均速度gydF4y2Ba。gydF4y2Ba仿真和实验之间的协议在T1相当差,见图gydF4y2Ba8(一个)gydF4y2Ba在规范化速度资料进行了比较。速度是规范化的散装速度gydF4y2Ba,在那里gydF4y2Ba流量和吗gydF4y2BaT1横断面的面积是516吗gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba来自于虚拟模型。喷气出口隧道出现靠近水表面测量的模拟,它是更分散的测量。这是最明显的测量在T1 31米,测量表明活塞流而模拟产生sinus-shaped概要文件。因此,有一个差异在表面和底部和射流穿透表面更早在现实中比模拟。T2,模拟和实验之间的协议是更好的尤其是近自由面,见图gydF4y2Ba8 (b)gydF4y2Ba。流的最大速度中间的通道是在实验中低于在现实中,虽然它实际上是高向海岸表明更多的扩散流也在这个样。差异的原因之一,特别是在T1,可能是入口边界条件的模拟,它被描述为一个固定的速度剖面,涡轮机的现实影响,较大的离散壁粗糙度元素或突然改变放电可能发挥作用。模型几何和其他因素可能是区别真正的几何表面粗糙度,例如,和过度简化了建模的动荡或刚性盖子假设创建非物质的行为时,飞机的尾水洞方法尾水渠的水面。也可能流场是涂抹的方法来测量速度场。模拟和测量数据之间的差异是一个主题为未来的研究湍流强度,例如。当稍后讨论的结果模拟鱼道入口,应该记住,飞机更面向扩散和表面实际上比模拟。gydF4y2Ba

5.3。水模拟的吸引力gydF4y2Ba

位置1的尾流频道,延伸的垂直的入口提供了明显的飞机尾流的中心通道角度的进了飞机,与尾水洞,达到进一步的流下游,见图gydF4y2Ba9gydF4y2Ba。创建更好的吸引水在第二个位置如图gydF4y2Ba10gydF4y2Ba。因为鱼道的小飞机不与尾水洞的大型飞机相撞,水生成的吸引力进一步延伸的通道,见图gydF4y2Ba11gydF4y2Ba。创建明显吸引水即使在最高的流从涡轮机(1000 m / s),见图gydF4y2Ba12gydF4y2Ba。因此相对high-vorticity水平和湍流强度太弱水在更大程度上影响吸引力。因此,位置2,代吸引水,一个更好的选择比位置1。也加强了这一结论,在现实中,喷气涡轮机是面向更多的表面可能会使景点的水在位置1创建著名的比获得的涡轮机的模拟和强调的事实鱼道应该尽可能长到尾流通道最优水代的吸引力。gydF4y2Ba

当审查可能改善吸引水从旧河床,模拟产生截然不同的结果。吸引水不能与尾流的流动通道除了面积相当接近岸边,见图gydF4y2Ba13gydF4y2Ba模拟吸引水与两个流量从涡轮机(500和750米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/ s)。与当前形势下,这一修改的融合仍将提供相当大的改善吸引水沿着北边(仿真结果在图的右边gydF4y2Ba13gydF4y2Ba,见图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba红衣主教的方向)。这应该提高鱼的概率迁移上游河的北面或鱼退出尾水洞北面在旧河床找到鱼通道。gydF4y2Ba

6。结论gydF4y2Ba

测量表明,流更多不稳定的在现实中比模拟。少的流场模拟因此扩散时均数量,和尾水渠飞机从隧道出口更强但不面向表面相比,在模拟现实。记住这一点,许多附加的结论可以从显示的在这里工作。尾水渠的鱼道通道可以产生明显的吸引所有相关流的水涡轮机。研究的情况下,模拟显示,位置两个给了相当强的吸引力相比水位置。这种差异可能是由尾水渠射流的扩散系数增大存在的现实。流的浓度从旧河床,明显吸引力水可以在创建融合区域。在这种情况下,吸引水只有一小段距离的触角延伸到尾水渠流因为这流完全是表面面向融合区域。然而,如果鱼沿着北岸迁移,他们会感觉吸引水。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

这项工作是由Vattenfall Umea Kommun AB和。作者也承认Vindeln Utveckling总是保持他们的政府与欧盟真正在阶段时间和国家渔业委员会建议本研究的设计。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba

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