Page 164 - 《水产学报》2025年第7期

杨梓静，等 水产学报, 2025, 49(7): 079513

表 1 实验处理
Tab. 1 Experimental treatments
工况 流场条件 鱼类群体大小/尾 重复次数/次 样本总量/尾
treatments flow field condition fish school size number of repeats sample size
1 无障碍流场 1 50 50
2 局部障碍流场 1 50 50
3 无障碍流场 10 5 50
4 局部障碍流场 10 5 50
深稳定至 19 cm，尾水水深稳定至 20 cm 后开始 式中，u 为流体速度 (m/s)；u 、u 分别为 x 、x j
j
i
i
3
放鱼实验。为消除人工转移与环境改变所引起 方向的时均流速 (m/s)；ρ 为水体密度 (kg/m )；
2
的应激反应对鱼类行为的影响，实验鱼在开始 μ 为 黏 性 系 数 (N∙s/m )； μ 为 涡 黏 性 系 数
t
2
2
正式实验前须先放入下游适应区进行 30 min 的 (N∙s/m )；μ =ρC k /ε，C =0.084 5；p 为静水压
μ
μ
t
预适应。正式实验开始后，先开启录像系统， 强 (Pa)；k 为湍动能 (J/kg)；σ =1.0；ε 为湍动能
k
3
2
K
随后打开下游拦网，使鱼进入实验测试区。若 耗散率 (kg⋅m /s )；σ =1.0；G 为紊动能产生项；
ε
3
3
实验鱼在 5 min 内上溯通过整个实验测试区并 C ∗ 1ε = C 1ε = − η(1−η/η 0 ) ,C ∗ 2ε = C 2ε + C µ ρη (1−η/η ) 。 其
0
1+βη
3
1+βη
3
抵达上游拦网附近，则认为上溯成功，实验结 中 C 、C 均为经验系数，C =1.42，C =1.92；
ε
1ε
2
1ε
2ε
束。若实验鱼持续游动 5 min 仍未抵达上游拦 η 为湍流时间尺度与平均流时间尺度之比，η 0
网附近，则认为上溯失败，同样结束实验。每 为 η 在 均 匀 剪 切 流 中 典 型 值 ， η =4.380， β=
0
组实验结束后，从水槽中移出实验鱼，对其全 0.012。采用 truVOF 模型求解水气两相的体积
长、体长、叉长、体重、体宽等形态学指标进 分数连续方程，追踪实验测试区内水流自由液
行测量与记录。 面的位置 [30] 。用 α 描述流体体积分数，α =0
w
w

1.4 水力计算 表示计算单元内全为气体，α =1 表示计算单元
w
内全为流体。相关连续性方程：
本研究使用 FLOW-3D (v11.0.4) 流体计算
软件对 2 种实验流场进行数值模拟，采用包括 ∂α w +u i ∂α w = 0 (5)
∂t ∂x i
连续性方程和动量方程在内的水动力学控制方
i
程和标准 RNG k-ε 紊流模型进行计算 [29] 。相关 式中，t 为时间；u 为各方向时均速度分量。
控制方程： 选取实验测试区作为模型计算区域，区域
连续方程： 进口宽度为 2.00 m，3 处阻流体处断面宽度均
∂ρ ∂ρu i 为 1.20 m。物理建模计算网格采用六面体结构
+ = 0 (1)
∂t ∂x i 化网格进行划分 (网格分辨率为 0.03 m)，并对
动量方程： 3 处阻流体位置进行局部加密 (网格分辨率为 15
[ ( )] mm)。根据水槽实际情况设置模型边界条件参
∂ρu ∂ ( ) ∂p ∂ ∂u i ∂u j
+ ρu i u j =− + (µ+µ t ) + 数与初始水位，以在符合实际情况的前提下，
∂t ∂x i ∂x i ∂x i ∂u j ∂u i
(2) 实现更快的计算收敛和更小的资源占用。在水
k 方程： 槽进水口处设置流量边界条件，给定进口流量
3
[( ) ] q 为 0.11 m /s，垂直于进水口断面的速度设为
∂(ρε) ∂(ρu i k) ∂ µ t ∂k
+ = µ+ +G K −ρε 0.35 m/s。设置水槽出口和顶部自由表面的边界
∂t ∂x i ∂x i σ k ∂x i
(3) 条件为压力边界条件，水面压力 p 取 1.013×10 5
ε 方程： Pa。统一设置水槽壁面和底部为固体墙壁边界。
[( ) ] ∗ 初始时间步长及最小时间步长均使用默认值。
∂(ρε) ∂(ρu i ε) ∂ µ t ∂ε C ε
1ε
+ = µ+ + G K − 研究在水槽的上游整流区和直线渐变段分
∂t ∂x i ∂x i σ k ∂x i k
ε 2 别选择一个断面，将断面计算值与实测值进行
C ρ (4) [31]
∗
2ε
k 对比，验证流场模拟的准确性 。为保证两种
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