Three-dimensional numerical simulation of flow in vertical slot fishways : validation of the model and characterization of the flow

Abstract

Vertical slot fishways allow energy dissipation as a function of the pool, longitudinal slope, baffle and vertical slot design. The mean and turbulent flow patterns in these structures must be compatible with the fish target. The design of these structures is commonly based on previous successful fishways as well as simplified theoretical equations and empirical relationships. To aid in the design of these structures, a three-dimensional hydrodynamic model was used to simulate the flow, and experimental studies were used to validate the model. The mean velocities, pressures and parameters indicative of turbulence were analyzed. The maximum flow velocities were up to 32% higher than the values obtained using a simplified theoretical equation. The evaluation of the volumetric dissipated power indicated that the mean value for the pool was lower than 150 W/m3; however, analysis of the spatial distribution showed that in some areas, the values can exceed 1000 W/m3. The results indicate that the numerical simulation was able to adequately represent the flow considering the computational cost involved. Accordingly, it can be used as a complementary tool for the design of new fishways and for the analysis of modifications in existing ones.

As escadas para peixes com ranhuras verticais permitem que ocorra a dissipação da energia do escoamento em função da forma da bacia, dos defletores, da declividade longitudinal e da largura da ranhura vertical. Estas estruturas devem apresentar padrões médios e turbulentos do escoamento compatíveis com os peixes que irão transpô-la. Tipicamente a concepção das escadas para peixes é baseada na utilização de geometrias empregadas com sucesso em situações anteriores e a estimativa das características do escoamento através de equações teóricas simplificadas e relações empíricas. Para contribuir na concepção dessas estruturas, foi utilizado um modelo hidrodinâmico tridimensional para simular o escoamento e estudos experimentais para validar o modelo. Velocidades médias, pressões e parâmetros indicativos da turbulência foram analisados. As velocidades máximas do escoamento foram até 32% superiores aos valores obtidos utilizando uma equação teórica simplificada. A avaliação da potência dissipada por unidade de volume indica que o valor médio para o tanque é inferior a 150 W/m3, no entanto, a análise da distribuição espacial desta grandeza no tanque, mostra que valores pontuais podem ultrapassar 1000 W/m3. Os resultados indicam que a simulação numérica foi capaz de representar de forma adequada o escoamento, considerando o custo computacional envolvido e pode ser utilizada como uma ferramenta complementar para o projeto de novas escadas para peixes e para a análise de modificações em estruturas existentes.