三維度魚道水理及魚體行進力能之數值模擬研究

• Main Authors: 顧可欣, Gu, Ke-Shin
• Other Authors: 張倉榮, 臺灣大學：生物環境系統工程學研究所
• Format: Thesis
• Language: Chinese; English
• Published: 2007
• Subjects: 池堰式魚道; 豎孔式魚道; 紊流模式; 自由液面; 體積分率法; Pool-and-weir fishway; Vertical-slot fishway; turbulent model; Volume of fraction method (VOF); Free surface; Weir; Pink salmon
• Online Access: http://ntur.lib.ntu.edu.tw/handle/246246/56066; http://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/56066/1/ntu-96-R94622027-1.pdf

本研究主要目的為研析上溯魚種-駝背大麻哈 (pink salmon) 在池堰式與豎孔式魚道流場中，採不同之上溯運動方式、不同之上溯路徑，其能量消耗之比較。研究之魚道流場使用三維度標準 紊流模式，搭配體積分率法來模擬具自由液面之二相流邊界條件，並計算魚體在流場中逆流上溯所遭受之阻力與能量之損耗。本研究先以Ead (2004) 與Purertas等 (2004) 所試驗之魚道縮尺模型，來驗證五種不同魚道設計 (三種池堰式、兩種豎孔式) ，流經堰體與隔板之流況與水位，繼而規劃真實尺寸之模式應用案例。本研究藉由不同上溯路徑與上溯運動方式，透過魚體於水中力能之分析研究，並改良Weihs在2002年提出的跳躍前進之耗能計算方式，將跳躍運動應用至魚道流場內，以進行各種上溯案例間能量損耗之比較。由研究結果顯示，池堰式魚道模式應用案例中，同一魚種之最省能之路徑，為魚體採跳躍上溯且近液面之路徑；而豎孔式魚道模式應用案例則是以通過短隔板後渦流區為最省能之路徑。 The main purpose of this study is to discuss the trajectories of the migrating fish (pink salmon) tracing back to upstream through pool-and-weir fishway and vertical-slot fishway, and compares the energetics for various migrating motions. A 3-D standard turbulent model together with the volume of fraction (VOF) method is used to solve fishway hydrodynamics. The simulated flow-field results are next employed to estimate the force and energy acting on the fish body.The Numerical model is firstly verified by the reduced-scale experimental measurement of Ead et al.(2004) and Purertas et al.(2004). The numerical results are in good agreement with the experimental data in terms of water depths, flow velocities, and free surface profiles. A series of numerical scenario simulations are further conducted to simulate real-size fishways hydrodynamics. For the cases that fish is migrating in the pool-and-weir fishway, we modify the equations of dolphin dynamics (Weihs, 2000) to analyze the energy losses for various migrating motions. The simulated results show that the most economic fish energy passage in the pool-and-weir fishways is to take jump motion and to go through near the water surface, whereas the most economic fish energy passage in the vertical-slot fishway is to take the way which goes through the eddy behind the short slot. 誌謝. i 摘要.ii Abstract .iii 目錄. .iv 圖目錄.viii 表目錄.xi 第一章、緒論.1 1.1 前言.1 1.2 研究動機.2 1.3 研究目的.4 第二章、前人研究.7 2.1 魚道水理試驗.7 2.1.1 池堰式魚道.7 2.1.2 豎孔式魚道.8 2.1.3 丹尼爾式魚道.9 2.2 數值模擬.10 2.3 魚類上溯耗能.12 2.3.1 非跳躍前進之研究.12 2.3.2 採跳躍前進之研究.13 第三章、三維魚道流場求解與模式邊界條件.16 3.1 三維度魚道環境流場模式.16 3.1.1 魚道平均流場統御方程式.16 3.1.2 自由液面平均流場之統御方程式.20 3.1.3 底床邊界與邊牆函數.23 3.1.4 數值方法與數值模擬架構.24 3.2 魚群上溯耗能之計算.28 3.2.1 非跳躍方式上溯之耗能.28 3.2.2 跳躍方式上溯之耗能.29 第四章、模式驗證.34 4.1 模式驗證案例介紹.34 4.1.1 池堰式魚道驗證案例.34 4.1.2 豎孔式魚道驗證案例.35 4.2 魚道試驗流場驗證.36 vi 4.2.1 池堰式魚道試驗驗證.36 4.2.2 豎孔式魚道試驗驗證.38 4.3 魚道流場驗證結果討論.39 第五章、模式應用案例之設計.48 5.1 魚道流場研究案例介紹.48 5.2 魚道流場流況.49 5.3 上溯路徑之規劃.51 5.3.1 池堰式魚道之路徑規劃.51 5.3.2 豎孔式魚道之路徑規劃.52 5.4 洄游魚群之種類.53 第六章、結果與討論.69 6.1 池堰式魚道上溯耗能之比較.69 6.1.1 案例之综合比較.69 6.1.2 案例間物理參數比較.70 6.2 豎孔式魚道上溯耗能之比較.73 第七章、結論與建議.82 7.1 結論.82 7.2 建議.85 參考文獻.87 附錄.91