鱼道吸引流：利用静态混合器提供均匀分布的辅助流量

《Journal of Ecohydraulics》：Fishway attraction flow: providing evenly distributed auxiliary discharge using static mixers

　　

在大型河流中通过吸引鱼类进入鱼道过坝设施以保障生态连通性是一项复杂挑战，因为这需要排放辅助水流以产生足够的吸引流。该辅助水通常通过管道从坝前引至供水渠，并以高速射流进入鱼道。为实现成功鱼类通行，这种射流必须转化为断面分布均匀、低流速的渠身流。本研究提出一种配备静态混合器用于射流均质化的新型供水渠设计，并通过计算流体动力学(CFD)模拟与水力比尺模型试验进行系统研究。研究识别了用于评价混合性能并确定使所需供水渠长度最小化之流条件的关键水力设计参数。引入参考均匀度以定义 enabling fish passage 所需的阈值。结果表明，静态混合器可实现射流快速混合，在较短下游距离内产生均匀流。其效率强烈依赖于管道内及供水渠内流速，但受回水雍高表现出的水力超载限制。为应对这些约束，研究人员建立了预测回水雍高与能量水头损失的经验公式，提供可靠设计依据。最后，研究人员提出一套综合设计概念，可计算将高速射流在紧凑结构中转化为均匀流所需的所有相关水力与几何参数。该概念为提升大型河流系统中鱼道性能与生态连通性提供了实用方案。

研究背景方面，鱼道（fishway）对恢复破碎化河流中鱼类上行连通至关重要。为确保功能，鱼类须被源自鱼道入口的足够强吸引流（attraction flow）吸引。大型河流中常需供给额外流量，可能数倍于鱼道运行流量，以克服如水电站产生的竞争流信号。辅助水系统（Auxiliary Water System，AWS）通常从头水取水，经管道、矩形供水渠将辅助流引入鱼道，射流以高速进入供水渠。为避免迁移鱼类体力过载与迷失方向，供水渠出流断面流速不得超过预定阈值且须均匀分布，德国指南建议供水渠断面流速0.8 m/s。空间受限时射流需很长距离减速，现有文献对受限空间鱼道供水渠及均质单元设计指导稀少，因此研究人员开展本研究。

该研究发表于《Journal of Ecohydraulics》。研究人员提出在供水渠管道与拦鱼筛之间布置静态混合器（static mixer，由交错分层导流元件反复分割、位移和汇合水流的均质装置）作为均质元件，用OpenFOAM中interFOAM求解器作CFD、按弗劳德相似率建1:4物理比尺模型，以参考均匀度σ_ref为基准，用断面流速空间标准差σ评价均匀性，通过无量纲Π参数描述射流均质过程，形成可推广的水力设计框架。

关键技术方法上，研究人员采用开源CFD工具箱OpenFOAM配多相求解器interFOAM与RANS k-ω SST湍流模型闭合不可压纳维?斯托克斯方程；物理模型按弗劳德相似律取1:4比尺，用磁感应流量计控排量、侧视声学多普勒流速仪（ADV）测速、超声波传感器测测压管水头（HGL）；用Guo窄矩形渠修正对数?尾迹律算完全发展流参考标准差σ_ref；以Buckingham Π定理取16参数3基本量纲得13个无量纲数，将均质长度l_h、回水雍高Δh、能量损失ΔH表示为u₁/u₂=9/(π·N_p)·h/b函数；测试系列TS?1至TS?4覆盖单管至多管叠放、u₂为0.20?0.80 m/s、渠宽0.50?1.50 m、水深1.0?3.0 m，共112组CFD。

研究结果部分，Mean flow field（平均流场）中，射流撞静态混合器后径向扩布并过隙，下游由射流速度分布转为较均匀；u₁低时混合器后很快σ/σ_ref≈1，u₁高时上部流速ū/u₂≥1.5且出现回水雍高Δh致水力超载；用双管或多管降低u₁可消超载、提均匀性；u₂在0.20?0.60 m/s非超载时均质过程基本独立于u₂。

Homogeneity（均匀性）中，以σ/σ_ref随x/b变化评价，低u₁者下游短距离达≈1，高u₁者需更长距或观测段内不达标；TS?2双管、TS?3四管同边界下比TS?1单管更快达均匀，证实u₁/u₂为核心因子。

Homogenization length（均质长度）中，l_h^*/b随Δh/(u₂²/2g)在小于13时缓增、大于13时陡增，故取Δh_crit=13(u₂²/2g)为水力超载阈，有效均质时l_h^*=5·b。

Backwater rise（回水雍高）中，CFD与物理模型合参显示Δh/(u₂²/2g)=2.5·u₁/u₂+2.9（R²=0.92，1.8≤u₁/u₂≤17.5），临界速度比u₁/u₂=4.04。

Energy loss（能量损失）中，ΔH/(u₂²/2g)=1.08·(u₁/u₂)²+1.93·u₁/u₂+4.01（R²=0.99），可供AWS能坡线设计用。

讨论部分总结，RANS各向同性湍流使CFD均质度偏保守，物理模型同截面均匀度高约8.7%；回水雍高与能量损和下游流速平方成正比，归一化不掩盖线性本质，TS?4变u₂仍可复算；漂木杂物由取水口细筛防护，静态混合器隙远大于进水筛不易堵，可测Δh监控功能；设计概念按最大u₂与最小渠宽推演，更宽渠虽鱼更友好但l_h^*=5·b更长，需按鱼种评估非完全均匀是否可接受。

结论部分翻译：辅助水系统用于大型河流鱼道吸引流供给，辅助水常经供管、供水渠和筛网以高速射流进鱼道；为免迁移鱼体力过载与迷失，供水渠流须均质减速，但坝址常因水电站等既有设施空间受限，而有效均质通常需大空间，相关研究稀少。本研究提出配静态混合器的新供水渠设计，在最小空间内以均匀分布流速排辅助水入鱼道；研建四种等效均质静态混合器覆盖渠宽至1.5 m；以参考均匀度作可达流态基准，借Guo解析模型给参考均匀度关系；CFD与1:4物理比尺表明管（或叠管）射流可被静态混合器成功均质，但效率受回水雍高致水力超载限；研究人员推导预测回水雍高与能量损失的经验式作设计导则；首次给出可在广边界条件系统设计的供水渠概念，能算将高速射流转均匀流所需水力与几何参数，降低所供流损害鱼类通行的风险。