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應用 FLOW-3D 於魚梯最佳化設計

 

 

作者 Jean-Fran帙is Mercier , Tecsult inc.

簡介:

2005~2006 年 , SEBJ (Hydro-Quebec) 在加拿大魁北克省詹姆士灣的 伊斯特梅恩河 ( Eastmain River in James Bay,Quebec, Canada. ) 建造了一座魚梯,在 2006 及 2007 兩年 ,在 接續的研究中發現原本設計給o魚的魚梯並沒有發揮希望的效果,因此,決定採用 FLOW-3D 針對這座魚梯進行數值模擬計算,找出魚梯設計上可能的問題,並且加以解決!

 

計畫位置:

 

Eastmain-1 project 計畫中,在伊恩斯特大壩的下游 14 公里處有一個 480 MW 的發電廠。
在該處有一座洩洪堰以及一座魚梯,魚梯的設計是為了讓魚類能夠順利進入附近小溪的產卵區。
大家一致認為採用魚梯的概念,希望能夠設計出最大的流量,以吸引魚類往魚梯的位置游動,遷移至上游。
該魚梯長度達 150 米 ,由 17 個混凝土牆組合而成。這些混凝土牆長度為 15m ,混凝土牆設計了相當深的凹型槽,能夠讓底棲魚類使用。
魚梯的底部以大石頭舖設。
魚梯的高度落差為 3 米 。
在正常的繁殖季節,魚梯位置的流量為最大流量( 22 m 3 /s )的 45% ,魚梯凹型槽位置的最高速度為 2, 6 m /s 。

 

 

魚梯最佳化設計前的狀況

有待解決的問題:

在 2006 以及 2007 年的相繼研究中,發現o魚以外的魚種可以順利使用該魚梯(但是o魚卻不行)。
研究指出了兩個可能的問題:該魚梯無法吸引o魚,或者是該魚梯的水流速度過快。
最佳化的設計關鍵
  減少水流於魚梯位置的流速,避免魚群從洩洪堰走,吸引魚群走魚梯的位置。
  讓魚梯位置的水流速度在短距離內( 1~ 2m )降低至 1.8m /sec 。

 

 

 

 

 

FLOW-3D 分析模型設定

 

在此分析專案中,採用了三種不同的網格尺寸, CAD 圖檔的部份則是分為三大部分:

區域模型( regional model ):包含了河流以及魚梯附近的地形
  局部模型( local model ):包含了凹型槽以及魚梯周圍的導流設計
  魚梯模型( fishway model ):包含了魚梯的排列設計

 

 

研究顯示, FLOW-3D 分析結果得到的水流高度與實際量測的高度幾乎完全一致。
124 個實際量測點中,有 80 % 的結果與分析結果幾乎重合。
由於實際流場相當紊亂,有時候同一個位置甚至會量測到兩組差異極大的速度,因此我們對於目前 FLOW-3D 得到的結果相當滿意。

 

分析結果與實際照片比對

 

分析結果顯示,調整魚梯的設計,可改變通過魚梯的水流量大小

 

魚梯的凹型槽與導流槽設計

上圖顯示魚梯的修改方式。粉紅色是凹型槽的設計,而灰色的部份則是導流板的設計

 

凹槽附近增加導流板對於流場的影響

1. 截面顯示增加導流板後的流場分析

 

2. 截面顯示魚梯混凝土造型對於流場的影響

 

3. 截面速度向量顯示流場的運動狀況

 

 

 

除了前述分析驗證外,根據研究中量測的水文數據,搭配 FLOW-3D 進行了下列研究。
2006 年的研究中顯示,在整個魚梯設計中,有幾個區域必須減少水流的速度。
在魚梯的上游安裝鋼製導流板會影響整個結構體的強度,希望能夠盡量避免這種設計。
敏感度分析: 1水力發電廠運作時對下游的流場影響
2不同的水流流量通過魚梯後的速度場分布

 

 

最後修改完成後的魚梯設計

 

結論:

2008 年夏天,研究顯示修改後的魚梯的確改變了水流的高度以及速度,量測數據顯示與 FLOW-3D 分析的結果一致。

研究同時顯示o魚開始使用該魚梯(即使流場的速度比設計速度來得高)。

本研究特別感謝 SEBJ (Hydro-Quebec).