Программные продукты и системы

Проектирование гидротехнических сооружений (ГТС) ведется с использованием САПР и с привлечением различных вычислительных систем для моделирования течений в устройствах и оборудовании ГТС.

Для проектирования рыбопропускных устройств разрабатывается вычислительная система (CAE) FishSim. В нее входят набор программ моделирования нестационарных турбулентных течений воды в камерах рыбоводов с открытой поверхностью и расчет динамики движения рыбы в этих устройствах. В систему введена настраиваемая поведенческая модель их движения как отдельных агентов независимых или взаимосвязанных особей рыбы. Вычислительная система предназначена для проведения оптимизационных расчетов при выборе конструкций рыбоводов, подъемников и других устройств, обеспечивающих проход ценных пород рыбы через ГТС.

Система содержит блоки расчета гидродинамики течений в рыбопропускных сооружениях и моделирования движения рыбы в них. Для расчета стационарных и нестационарных турбулентных потоков возможно применение программы SINF, используемой в составе системы SELIGER [1], и программы FLOW-3D [2]. Расчет турбулентных течений ведется на основе RANS-уравнений (осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Сток­са) с использованием k-e-модели турбулентности. Для моделирования течений со свободной поверхностью раздела между водой и воздухом применяется VOF-метод с введением уравнения переноса функции порозности двухфазной среды [2].

Моделирование движения рыбы осуществляется на предварительно рассчитанном поле скоростей течения воды в сооружении. Расчет ведется с привлечением поведенческой модели рыбы. При ее формировании учитывается опыт обоснования двухмерных моделей движения совокупности рыб в ловушках при обходе ими препятствий [3, 4]. Поведение рыб мотивируется целью их совокупного движения, направленного на выход из рыбовода в верхний бьеф, с учетом режимов течения в лабиринтах проточных камер и локальной структуры струй воды в зонах вплывных отверстий и водосливов.

Уравнения движения отдельных особей рыбы (агентов) задаются в предположении, что они имеют простую форму (сплюснутые эллипсоиды) и не оказывают обратное влияние на поток воды. В уравнениях движения учтены силы физического характера: силы от несущего потока воды с квадратичным законом сопротивления обтекания тел и с учетом поверхностного сопротивления, а также силы, определяемые логикой поведения агентов, их взаимодействия с возможными препятствиями, стенками и элементами конструкции камер рыбовода. Принимается во внимание возможное взаимодействие рыб (отпугивание, уход от возмож- ного столкновения), ведется учет их мышечной активности и накопления усталости при преодолении ими высокоскоростных участков водного потока и обходе препятствий.

Побуждение к движению рыбы внешними факторами задается выбором направления их движения в области водного потока с высокими скоростями, поиском зон повышенной турбулентности течения, движением их за плывущими впереди особями. Сочетание последних факторов формирует траектории движения агентов (в частных случаях – кривые погони).

Система уравнений движения i-го агента в скоростном поле водного потока имеет следующий вид:  

 где ,  – аллометрические соотношения.

В системе уравнений Xi, Vi – векторы координат и скорости агентов, U – скорость потока воды на рассчитываемой траектории, g – вектор гравитационного ускорения, функция порозности: f=1 – водная среда, 0 – воздух.

Для оценки сил движения особей рыбы были приняты рекомендации работы [3]. Учет этих сил зависит от режима движения рыб (моды) при плавании:

 – движение в основном режиме, при котором модуль скорости рыбы задается близким к скорости воды в окрестности ее нахождения на траектории движения;

 – движение при переходе к реверсивному или порывистому режиму;

 – реверсивный режим ухода рыбы при возможном столкновении со стенкой, где AR – ускорение при резком уходе; Qi – запас мускульной энергии движущейся особи;

 – режим броска – движение рыбы на предельно возможной скорости в критических зонах.

Система уравнений движения дополняется уравнением изменения мускульной энергии плавания в зависимости от режима движения рыбы:  где M – мода режима движения.

Член Fij, приведенный в уравнении для ускорения справа, учитывает стайное взаимодействие особей рыбы [4]. Движение i-го агента ориентировано на множество других особей рыб: j-агентов, которые находятся в поле видимости i-го агента, как это показано на рисунке 1. При dijro, наоборот, торможение догоняющей особи:

.

В число привлекающих объектов можно вводить дополнительно (альтернативно) Ak – цели другой физической природы, расположенные в зонах интенсивных пульсаций потока, в областях с повышенным скоростным напором и с учетом других привлекающих рыбу факторов. Система уравнений движения агентов дополняется уравнением слежения одной особи за другой:

Учет слежения можно вести через коррекцию вектора слежения за преследуемой целью:

Коррекция траектории движения агента возможна и в направлении привлекающего фактора, например, источника звуковых возмущений (высокая интенсивность пульсаций потока, кинетическая энергия турбулентности) в области вплывных отверстий (рис. 2).

Приведенные выше уравнения составили основу программы FishSim для расчета траекторий движения рыбы. При написании программы использовался кросс-платформенный инструментарий Qt на C++. В состав системы моделирования входят препроцессор, блок импортирования характеристик и полей течения в камерах, редактор начальных и граничных условий, блок вычислений и блок визуализации результатов вычислений. Визуализацию и анализ скоростных полей течений и производных полей, анимацию течения можно вести дополнительно в графическом постпроцессоре HDVIS.

Тестирование FishSim проводилось для условий прохода рыбы через камеры рыбохода лестничного типа, действующего на Нижнетуломской ГЭС (Мурманская обл.) [5].

Расчет течения со свободной поверхностью для одной из конфигураций рыбовода выполнялся с использованием программы FLOW-3D [2].

Пример визуализации сложного вихревого течения в камерах рыбовода приведен на рисунке 3, где показаны распределение интенсивности пульсаций на поверхности воды, скоростное поле в поверхностном слое сбрасываемой воды и линии тока в камерах с верхним водосливом.

Расчет использовался для анализа гидродинамики течения и определения скоростных и скалярных полей. Это исследование комбиниро- валось с анализом движения преимущественно против течения моделируемых агентов – особей рыбы, с расчетом их проходимости вверх по те- чению, времени их движения и с выяснением факторов, препятствующих движению. Дополнительный анализ проводился в программе HDVIS, в набор функций которой входит блок расчета производных векторных, скалярных и тензорных полей анализируемых течений.

Предварительные расчеты велись при разных предположениях о размерах и стартовых позициях рыб и повторялись для поочередно стартующих агентов с ориентацией на рыбу, идущую впереди, с последующим уточнением траекторий погони. Получены первичные результаты по оценке времени прохода рыбы. Качественно они согласуются с известными данными [5].

При тестировании разработанной программы анализировались эффекты усложнения логики поведенческой модели рыбы, велось уточнение эмпирических констант. Предварительными расчетами было установлено, что запас энергии крупных по размеру рыб не гарантирует им подъема вверх по течению при преодолении скоростного напора воды в области вплывных отверстий. Требуется дополнительная калибровка данных, что планируется провести в вычислительных экспериментах для течений с разным скоростным режимом, применительно к известным лабиринтным конфигурациям камер лестничных рыбопропускных сооружений.

Тестирование программы FishSim показало перспективность ее использования как системы имитации поведения и движения рыбы при проходе через рыбопропускные сооружения лестничного типа и лифтовые подъемники и может использоваться для проектирования и оптимизации их конструкций.

Литература

1.     Смирнов Е.М., Зайцев Д.К. Метод конечных объемов в приложении к задачам гидрогазодинамики и теплообмена в областях сложной геометрии // Научно-технические ведомости. СПб: Изд-во политехнич. ун-та, 2004. № 2 (36). С. 70–81.

2.     Hirt C.W. CFD-101: The Basics of Computational Fluid Dynamics Modeling, FLOW-3D Manual, Flow Science Press, Flow Science, Inc., Santa Fe, 2011.

3.     Ko M., Nobua S. Computer Simulation of the Fish Behavior in Relation to a Trap Model // Bulletin of the Japanese Society of Scientific Fisheries. 1985. Vol. 51 (1), pp. 33–39.

4.     Haefner J.W., Bowen M.D. Physical-based model of fish movement in fish extraction facilities. J. Ecological Modelling. 2002. № 152, pp. 227–245.

5.     Скоробогатов М.А., Барекян А.Ш., Малевантик Б.С. Перспективы конструирования рыбопропускных сооружений. // Гидротехническое строительство. 1988. № 7. С. 37–40.