基于拉格朗日传感器与主动粒子追踪的封闭管道鱼类安全运输水力阈值研究

为解决封闭管道系统中鱼类运输安全评估难题，研究人员结合计算流体力学(CFL)模型与拉格朗日传感器实验，系统研究了管道组件（如弯头、扩缩管）的水动力效应。通过开发主动离散相模型(DPM)粒子追踪技术，成功模拟鱼类运动轨迹，揭示了压力、加速度、湍流动能(TKE)等并发水动力阈值，为生态修复中封闭式鱼道设计提供了关键理论支撑。

　　

在全球河流生态系统中，水力结构物如大坝、涵洞等严重阻碍了鱼类的上下游迁移，威胁生物多样性。尽管传统鱼道（如阶梯式鱼道）已被广泛应用，但封闭管道式鱼道因其空间效率高、适应性强等优势成为新兴解决方案。然而，鱼类在封闭管道中运输时会经历复杂的水动力环境——包括压力骤变、湍流剪切、高速加速度等，这些因素可能导致鱼类受伤甚至死亡。目前，关于封闭管道系统中鱼类安全运输的水动力阈值研究仍存在两大瓶颈：一是缺乏对鱼类实际运动路径与水力应激关系的直接观测数据；二是现有计算流体力学(CFL)模型中的被动粒子追踪难以准确模拟鱼类的主动运动行为。

针对这些问题，新南威尔士大学水研究实验室的团队在《Ecological Engineering》发表了一项创新研究。该研究通过结合物理模型实验与数值模拟，首次系统评估了封闭管道组件（90°弯头、突扩/突缩管）中鱼类安全运输的水动力阈值。研究团队设计了两大关键技术模块：一是开发了搭载三轴加速度计和压力传感器的拉格朗日传感器，在1:2.5-1:6缩尺模型中采集了压力、加速度等关键参数；二是构建了CFD-DPM耦合模型，创新性地引入主动运动用户定义函数(UDF)，通过随机方向选择和游泳速度调节（0-1 m/s）模拟澳大利亚银鲈(Bidyanus bidyanus)的自主运动特性。

3.1 拉格朗日传感器与惰性粒子数据对比
通过对比10组传感器实验与5组DPM惰性粒子模拟数据，发现管道入口区域的压力变化差异<1 kPa，加速度峰值偏差≤2.8 G（重力加速度单位）。但在弯头区域，惰性粒子因固定碰撞壁面产生虚假的高加速度峰值（如锐弯处达7.3 G），而实际传感器数据显示鱼类更倾向于沿外缘平滑通过。这种差异揭示了传统DPM模型在复杂流场中的局限性。

3.2 鱼类运动与粒子路径再现性
视频追踪分析显示，在流速3.61 m/s的缓弯中，鱼类路径呈现分散分布（曲折度0.79-1.07），而传统质量粒子仅沿流线运动（曲折度0.95-1.05）。引入主动运动UDF后，粒子路径变异度显著提升（欧几里得中位数绝对偏差EMAD达24 mm），更接近真实鱼类行为。尤其在突扩管区域，主动粒子成功模拟了鱼类在低流速区（5.18 m/s）的往复游动现象，而标准DRW（离散随机游走）模型仅能生成单向流线。

3.3 管道组件的水动力条件解析
通过构建SST k-ω湍流模型，研究发现：锐弯内缘分离区产生最高应变率（3368 s^-1）和TKE（1.59 m²/s²），超过银鲈已知损伤阈值（2002 s^-1）；而突扩管A型在50 mm过渡段形成持续高压区（ΔP=6.1 kPa）和强涡流（涡量1086 s^-1）。值得注意的是，原型管道（?=210 mm）的数值模拟显示，虽然压力变化因水头增加而加剧（ΔP=25 kPa），但关键损伤参数（如应变率814 s^-1）与实验室尺度相当，验证了缩尺实验的工程适用性。

这项研究的核心突破在于建立了"主动粒子追踪-水动力阈值-生态设计"的闭环研究范式。通过拉格朗日传感器的原位测量，首次量化了封闭管道中鱼类承受的并发水动力应激组合；而创新的主动DPM模型突破了传统流线分析的局限，将路径预测准确度提升40%以上（以EMAD为指标）。这些成果为封闭式鱼道的优化设计提供了两大科学依据：一是明确了弯头曲率半径与突扩角度的安全设计阈值，二是证实了全尺寸管道应用的可行性。从应用角度看，该研究提出的CFD评估框架可直接整合入鱼道工程设计流程，通过预判高风险区域（如弯头分离区、突扩剪切层）指导结构优化，这对实现《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》中的河流连通性目标具有重要实践意义。未来研究可进一步拓展至更多鱼种行为建模及复杂管道网络的系统级优化。