CN107702883B - 一种水生生物生态水力学实验的复杂流场实现装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水生生物生态水力学实验的复杂流场实现装置与方法，该实验装置为环形水槽，由第一弧形水槽、第一异形水槽、第二弧形水槽和第二异形水槽依次首尾相接而成，其中，第一异形水槽和第二异形水槽的内壁均为平面，且外壁与内壁之间的宽度均从两端向中间逐渐加宽，所述第一异形水槽中沿长度方向设置有第一挡板，所述第二异形水槽中沿长度方向设置有第二挡板，异形水槽中还设置有推流器和潜水泵。本发明所述的实现方法采用不同推流器和潜水泵的组合，实现不同的最大流速。本发明的实验装置能够实现复杂流场，更适宜亲鱼产卵研究。

Description

一种水生生物生态水力学实验的复杂流场实现装置与方法

技术领域

本发明涉及生态学技术领域，尤其涉及一种水生生物生态水力学实验的复杂流场实现装置与方法。

背景技术

中国重要经济鱼类四大家鱼(草鱼、青鱼、鲢鱼、鳙鱼)的主要繁殖地位于长江，产量约占全国总产量的70％，繁殖时间主要在每年的5～7月。从20世纪80年代起，四大家鱼资源出现严重的衰减现象。2003年以后受三峡工程运行调节的影响，中下游河道的水力学条件发生了改变，四大家鱼产卵场发生了规模缩小、合并、位置迁移等变化，四大家鱼资源量显著下降。

为进一步提高鱼类的繁殖效益，揭示鱼类产卵的适宜水流条件，国内外学者对不同鱼类产卵场水流特征进行了大量研究。研究结果表明，在自然环境下，四大家鱼产卵场的条件是相似的，通常位于江面宽窄相间的江段，当涨水时，同一流量的水从宽的江面进入窄隘江段，就产生流速的增加，形成家鱼产卵所要求的高速复杂水流条件。然而这些研究大多数针对产卵场水文情势进行分析，缺乏对鱼类产卵行为触发机理的揭示。

为探索水动力学条件对鱼类的影响，刘稳等(2009)修建了流速渐变环形生态水槽，并在水槽内选取鲤科鱼类鲫鱼为代表进行模型试验研究，选用流速、流速梯度、动能梯度3个水动力学特征量，量化鱼类生长对水动力学条件的需求。专利方面，“一种测定鱼类对水流应激反应的实验装置(CN201220732987.2)”公开了一种测定鱼类对水流应激反应的实验装置，包括实验水池和感应监测装置；所述实验水池设置有表层和底层的平流、环流产生装置，产生侧向流动的环流和水平方向的平流；该实用新型能够模拟各种不同的水流条件，记录和研究在不同水流条件下鱼类的行为特征，以及体内生化成分的适应性鱼类对水流应激反应。另有专利“一种基于水生生物生态系统研究的水槽装置(CN201420697219.7)”公开了一种基于水生生物生态系统研究的水槽装置，其包括环形水槽、外水槽、内水槽、螺旋桨和电机，内水槽位于外水槽中，环形水槽为跑道型，环形水槽位于内水槽中；环形水槽内围成的椭圆形区域为静水区；环形水槽的直线段区域为实验段；螺旋桨设置于环形水槽中的一个半圆段；电机与螺旋桨相连；外水槽与内水槽之间构成缓冲区，缓冲区的底部与实验段相通；但该专利实验流速仅能达到0.8m/s,无法满足鱼类产卵对高速复杂水流的需求。

经研究发现，流速是诱发四大家鱼产卵的关键驱动因子；然而，目前尚未见利用大型水槽实验，研究流速刺激亲鱼产卵的实验方法与实验装置。究其原因，主要是天然河道各个位置的流速不一致，亲鱼可以时而高速流速刺激，时而休息，如果一直受到高流速刺激，无处休息，亲鱼可能在实验中力竭而死。因此，在大型水槽中，如何通过数值模拟，优化水槽和挡板的结构及尺寸，并合理设置推流机器位置，以减少回流，消除波浪的影响；在此基础上，如何设置动力装置开启方式，以在不同实验工况下提供空间分布不均的高速复杂流场，是本发明的研究重点。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种水生生物生态水力学实验的复杂流场实现装置与方法，本发明通过优化水槽和挡板的结构及尺寸，合理设置推流机器位置，实现了水槽内空间分布不均的高速复杂流场，更接近天然河道，更适宜亲鱼产卵研究。

技术方案：本发明所述的水生生物生态水力学实验的复杂流场实现装置，由第一弧形水槽、第一异形水槽、第二弧形水槽和第二异形水槽依次首尾相接而成，其中，第一异形水槽和第二异形水槽的内壁均为平面，且外壁与内壁之间的宽度均从两端向中间逐渐加宽，所述第一异形水槽中沿长度方向设置有第一挡板，所述第二异形水槽中沿长度方向设置有第二挡板，所述第一异形水槽的外壁和第一挡板之间放置有第一推流器，所述第二异形水槽的外壁和第二挡板之间放置有第二推流器，所述第一异形水槽与所述第一弧形水槽的相接处设置有第一潜水泵，所述第一异形水槽与所述第二弧形水槽的相接处设置有第二潜水泵，所述第二异形水槽与所述第二弧形水槽的相接处设置有第三潜水泵，所述第二异形水槽与所述第一弧形水槽的相接处设置有第四潜水泵。本发明将异形水槽和弧形水槽结合，可以使得不同区域具有不同流速，形成复杂流畅，具体为：在异形水槽和弧形水槽的接壤处由于角度的转变，会产生一些回流，流速较小，可作为鱼类休息区，而在弧形水槽中，没有阻碍，流速达到最大，可以作为产卵流速刺激区，例如最大流速1.2m/s的工况下，可以在环形水槽内形成0.35m/s、0.5m/s、1.0m/s、1.2m/s等多种流态复杂流场，0.35m/s供鱼疲劳时休息，1.2m/s用于产卵刺激。

进一步的，所述第一弧形水槽和第二弧形水槽的外壁半径均为7m-12m，宽度均为0.5m-1.2m，深度均为1m-2m；所述第一异形水槽和第二异形水槽内壁的长度均为11m-20m，宽度为1m-2.5m，深度为1m-3m。将实验装置设为大型水槽，可以适应体长0.6～1米的亲鱼生存。

进一步的，所述第一挡板长度l满足：l＝k*L，L表示第一异形水槽的内壁长度，k＝0.6～0.9；所述第二挡板长度与第一挡板长度相等，且第一异形水槽、第二异形水槽、第一挡板和第二挡板四个的的中心点位于一条线上。通过仿真分析和实际验证，合理设置挡板位置和长度，使得复杂流场更为合理，更适宜鱼类产卵研究。

进一步的，所述第一异形水槽的外壁由第一斜壁、第一直壁和第二斜壁依次相接构成，第一直壁与第一异形水槽的内壁平行，第一斜壁与第一弧形水槽的外壁相接，第二斜壁与第二弧形水槽的外壁相接；所述第二异形水槽的外壁由第三斜壁、第二直壁和第四斜壁依次相接构成，所述第二直壁与第二异形水槽的内壁平行，所述第三斜壁与所述第一弧形水槽的外壁相接，所述第四斜壁与所述第二弧形水槽的外壁相接。所述第一异形水槽的第一斜壁与其内壁的夹角θ1满足：5°≤θ1≤30°；所述第一异形水槽的第二斜壁与其内壁的夹角θ2满足：5°≤θ2≤30°；所述第二异形水槽的第三斜壁与其内壁的夹角θ3满足：5°≤θ3≤30°；所述第二异形水槽的第四斜壁与其内壁的夹角θ4满足：5°≤θ4≤30°。异形水槽的外壁设计一方面可以使得在异形水槽内有位置放置水流推动设备，另一方面还能够复杂流场，另外，外壁的角度如果太大，会使水槽的占用面积过大，且会对水流流速造成过大阻碍，使得弧形水槽中最大流速达不到要求，因此5°～30°的角度最为合理。

本发明所述的实现方法基于上述实验装置，该方法根据需要达到的最大流速按照下表选择设备开启组合方式，实现高速复杂水流流场：

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、本发明设计的实验装置，是一种大型水槽，相比较传统小型水槽，本发明更适宜体长0.6～1米的亲鱼研究；

2、传统的圆形或方形水槽，其流速各个区域几乎一致，不适宜亲鱼产卵研究，本发明设计的实验装置将异形水槽和弧形水槽相结合，可以提供不同区域不同流态刺激亲鱼产卵(例如最大流速1.2m/s的工况下，同时提供0.35m/s、0.5m/s、0.7m/s、1.2m/s等多种流态复杂流场)，高速区域用于刺激亲鱼产卵，低速用于亲鱼休息，也与自然河流更相似；

3、本发明的实验方法根据不同工况的最大流速，设计设备开启方式，可以用于研究出流速与亲鱼产卵的关系，为三峡水库的精细化生态调度提供科学参考。

附图说明

图1是本发明实验装置的俯视结构示意图；

图2是图1中a-a剖视图和b-b剖视图；

图3是本发明实验装置的流场分区示意图；

图4是本发明实验装置采用CFD进行仿真验证时的网格划分结果示意图；

图5是四种工况的仿真结果示意图；

图6是本发明实验装置的实际结构图。

具体实施方式

1、实验装置

如图1所示，为本发明的实验装置的一个实施例，其具体为一环形水槽，由第一弧形水槽100、第一异形水槽200、第二弧形水槽300和第二异形水槽400依次首尾相接而成，第一弧形水槽100和第二弧形水槽300的外壁半径R为7m-12m，宽度为0.5m-1.2m，深度为1m-2m；第一异形水槽200和第二异形水槽400内壁的长度L为11m-20m，宽度为1m-2.5m，深度为1-3m，环形水槽的外周长为70m-110m。环形水槽可以对称设计，也可以不对称设计，即第一弧形水槽和100第二弧形水槽300的周长不一致，或第一异形水槽200和第二异形水槽400的周长不一致，都可以实现复杂流场，不过对称设计效果更优，更好控制和实验研究，下面以对称设计为例介绍。

如图1所示，第一异形水槽200和第二异形水槽400内壁均为平面，且外壁与内壁之间的宽度均从两端向中间逐渐加宽，使得第一异形水槽200和第二异形水槽400的外壁成大致等腰梯形，具体，第一异形水槽200的外壁由第一斜壁201、第一直壁202和第二斜壁203依次相接构成，第一直壁202与第一异形水槽200的内壁平行，第一斜壁201与第一弧形水槽100的外壁相接，第二斜壁203与第二弧形水槽300的外壁相接，相切连接为最优方式。第二异形水槽400与第一异形水槽200对称设计。可以理解的，第一异形水槽200和第二异形水槽400的外壁也可以呈等腰三角形，即没有第一直壁和第二直臂。

第一异形水槽200和第二异形水槽400中还放置有能够使水流流速最大值达到预设值的水流推动设备，具体可以是推流器和潜水泵的组合。如图1所示，第一异形水槽200中沿长度方向设置有第一挡板204，所围成的区域中放置有第一推流器501；第二异形水槽400中沿长度方向设置有第二挡板404，第二挡板404的两端分别采用挡鱼网连接至第二异形水槽400的外壁上，所围成的区域中放置有第二推流器502，推流器底部相对挡板外的深度加深1m左右，具体如图2所示。其中，第一挡板204和第二挡板404可以是水泥墙，也可以是成品板放置，推流器具有桨叶，旋转时可能会伤害到鱼，因此，采用挡鱼网和挡板隔开，第一挡板长度l满足：l＝k*L，L表示第一异形水槽的内壁长度，k＝0.6～0.9；所述第二挡板长度与第一挡板长度相等，且通过仿真分析和实验验证，此长度的挡板可以提供更为适宜产卵研究的复杂流场。另外，若推流器达不到预设最大流速，还可以加设潜水泵，具体为：在第一异形水槽200与第一弧形水槽100的相接处设置第一潜水泵601，第一异形水槽200与第二弧形水槽300的相接处设置第二潜水泵602，第二异形水槽400与第一弧形水槽100的相接处设置第三潜水泵603，第二异形水槽400与第一弧形水槽100的相接处设置第四潜水泵604。潜水泵没有桨叶因此不会伤害到鱼。需要注意的是，若异形水槽中放置的是不伤害鱼的水流推动设备，那么可以去除挡板和挡鱼网。

第一异形水槽200的第一斜壁201与其内壁的夹角θ1满足：5°≤θ1≤30°；第一异形水槽200的第二斜壁203与其内壁的夹角θ2满足：5°≤θ2≤30°；第二异形水槽400对称设计。异形水槽斜壁与内壁夹角的设计可以减少用水面积，同时还可造成多种流速区域。

本装置产生复杂流场的原理具体为：如图3所示，将水槽划分为8个区，左右各4个区两两对称，其中A、A’为回流区；B、B’为实验区；C、C’、D、D’为缓流区。其中A、A’区域流速分区明显，流态较为紊乱，C、C’为推流器进口区域，面积较大，流速也相对较小，可作为鱼类休息区，D、D’为直道部分，受回流的影响，流速较小，也可作为鱼类休息区，B、B’为弧形水槽中，没有阻碍，流速达到最大。

2、实现方法

本发明所述的实现方法基于上述实验装置，该方法根据需要达到的最大流速按照下表选择设备开启组合方式，实现高速复杂水流流场。

表1

3、验证

本实施例选用4种工况进行实验验证，具体为最大流速1.0m/s、1.2m/s、1.4m/s、1.6m/s，如表2所示。

表2

首先对4种工况分别进行仿真验证，将环形水槽的参数设置为：弧形水槽外径为18m，异形水槽的内壁长15m，水槽外周长87.33m，内周长81.90m，宽度0.74m，深度1.70m。利用CFD软件对水槽内水流情况进行数值模拟。为满足模型计算精度，将模型划分为非结构网格，网格数量约26万，如图4所示。仿真结果如图5所示，可以看出，实现了最大流速，且水槽内水流流速各区域流速不同，实现了复杂流场，且结果可知，该流场也很适宜产卵研究，很接近天然河道。

接下来对4种工况分别进行实测验证，实际环形水槽如图6所示，在每组工况下，沿程均匀选取30个点在测量流速，各区实测流速分布表3所示。

表3

可以看出，与仿真结果差别不大，水槽内水流流速各区域流速不同，实现了复杂流场，且结果可知，该流场也很适宜产卵研究，很接近天然河道。

Claims (5)

1.一种水生生物生态水力学实验的复杂流场实现装置，其特征在于：该实现装置为环形水槽，由第一弧形水槽、第一异形水槽、第二弧形水槽和第二异形水槽依次首尾相接而成，其中，第一异形水槽和第二异形水槽的内壁均为平面，且外壁与内壁之间的宽度均从两端向中间逐渐加宽，所述第一异形水槽中沿长度方向设置有第一挡板，所述第二异形水槽中沿长度方向设置有第二挡板，所述第一异形水槽的外壁和第一挡板之间放置有第一推流器，所述第二异形水槽的外壁和第二挡板之间放置有第二推流器，所述第一异形水槽与所述第一弧形水槽的相接处设置有第一潜水泵，所述第一异形水槽与所述第二弧形水槽的相接处设置有第二潜水泵，所述第二异形水槽与所述第二弧形水槽的相接处设置有第三潜水泵，所述第二异形水槽与所述第一弧形水槽的相接处设置有第四潜水泵，所述第一挡板长度l满足：l＝k*L，L表示第一异形水槽的内壁长度，k＝0.6～0.9；所述第二挡板长度与第一挡板长度相等，且第一异形水槽、第二异形水槽、第一挡板和第二挡板四个的中心点位于一条线上。

2.根据权利要求1所述的水生生物生态水力学实验的复杂流场实现装置，其特征在于：所述第一弧形水槽和第二弧形水槽的外壁半径均为7m-12m，宽度均为0.5m-1.2m，深度均为1m-2m；所述第一异形水槽和第二异形水槽内壁的长度均为11m-20m，宽度为1m-2.5m，深度为1m-3m。

3.根据权利要求1所述的水生生物生态水力学实验的复杂流场实现装置，其特征在于：

所述第一异形水槽的外壁由第一斜壁、第一直壁和第二斜壁依次相接构成，第一直壁与第一异形水槽的内壁平行，第一斜壁与第一弧形水槽的外壁相接，第二斜壁与第二弧形水槽的外壁相接；

所述第二异形水槽的外壁由第三斜壁、第二直壁和第四斜壁依次相接构成，所述第二直壁与第二异形水槽的内壁平行，所述第三斜壁与所述第一弧形水槽的外壁相接，所述第四斜壁与所述第二弧形水槽的外壁相接。

4.根据权利要求3所述的水生生物生态水力学实验的复杂流场实现装置，其特征在于：所述第一异形水槽的第一斜壁与其内壁的夹角θ1满足：5°≤θ1≤30°；所述第一异形水槽的第二斜壁与其内壁的夹角θ2满足：5°≤θ2≤30°；所述第二异形水槽的第三斜壁与其内壁的夹角θ3满足：5°≤θ3≤30°；所述第二异形水槽的第四斜壁与其内壁的夹角θ4满足：5°≤θ4≤30°。

5.一种基于权利要求1所述装置的复杂流场的实现方法，其特征在于：根据需要达到的最大流速按照下表选择设备开启组合方式，实现高速复杂水流流场：