楊春霞，徐頂娥，祝雙桔，趙 雷，于 安，何香凝

（1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 211100；2.重慶航運(yùn)建設(shè)發(fā)展（集團(tuán)）有限公司，重慶 401121；3.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130021）

1 研究背景

當(dāng)魚類資源通過水輪機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可避免的損傷和死亡［1-2］，受傷和死亡的魚類會(huì)對(duì)水域造成污染。隨著生態(tài)環(huán)境保護(hù)成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題，研究者們開始聚焦于魚類友好型水輪機(jī)的研究。1995年，美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)成立水輪機(jī)流道魚類存活率研究小組。小組專家們通過分析，將魚類通過水輪機(jī)流道下行時(shí)可能受到的傷害機(jī)理分為機(jī)械、壓強(qiáng)、剪切力和空蝕四種原因［3-4］。

美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Cada等［5-7］主導(dǎo)開展了多項(xiàng)魚類過機(jī)損傷機(jī)理研究，發(fā)現(xiàn)通過水輪機(jī)流道到達(dá)下游的魚類傷亡類型和程度與魚類下行路徑有很大關(guān)系。Neitzel等［8-9］通過實(shí)驗(yàn)得到了魚類承受剪切速度的安全極限值，最大為500 s-1。美國(guó)太平洋西北實(shí)驗(yàn)室的Abernethy 等［10-11］和Richmond等［12］則主要關(guān)注流體內(nèi)部壓強(qiáng)梯度大小對(duì)魚類的損傷程度及損傷的生物學(xué)機(jī)理，Abernethy 開展了一系列的實(shí)驗(yàn)研究壓強(qiáng)及壓強(qiáng)梯度大小對(duì)不同類型魚類的損傷頻率、部位以及嚴(yán)重程度；而Richmond則綜合生物性能評(píng)價(jià)法與CFD 模擬方法，對(duì)大馬哈魚幼魚游經(jīng)軸流式水輪機(jī)時(shí)可能遭受的氣壓損傷開展了分析研究。Deng 等［13-15］使用傳感器魚實(shí)測(cè)魚類在通過水輪機(jī)流道或溢洪道時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，分別得出了傳感器魚在通過水輪機(jī)流道和溢洪道時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度、運(yùn)動(dòng)加速度和靜壓隨時(shí)間（位置）的變化曲線，其還采用仿魚型傳感器，對(duì)魚類在通過水輪機(jī)惡劣流動(dòng)環(huán)境時(shí)所受到的物理作用開展了研究。

吳玉林等［16-17］采用實(shí)驗(yàn)方法人工模擬水力機(jī)械內(nèi)壓強(qiáng)變化過程，通過觀察、解剖分析負(fù)壓狀態(tài)下壓強(qiáng)變化過程對(duì)鯉魚和草魚的損傷類型，發(fā)現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)下壓強(qiáng)梯度對(duì)魚的生存構(gòu)成威脅，魚鰾受損，在肝、腎等處有出血點(diǎn)，得到了壓強(qiáng)梯度對(duì)魚類影響的安全閾值。王煜和李成［18-20］研究了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)及泄水錐尺寸對(duì)草魚存活率的影響，并對(duì)家魚幼魚對(duì)水輪機(jī)流道水力剪切響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明四種家魚幼魚在受到流速應(yīng)變率大于或等于2179 m/（s/m）的射流沖擊時(shí)，均出現(xiàn)不同程度的損傷，損傷程度隨流速應(yīng)變率的增大而加強(qiáng)。朱國(guó)俊等［21］對(duì)魚類通過混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪時(shí)受壓強(qiáng)及剪切損傷的概率進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在大流量工況下，魚類受最低壓強(qiáng)和高壓強(qiáng)梯度損傷的概率更大，在小流量工況下則是壓強(qiáng)梯度損傷概率相對(duì)較高。

已有的研究成果表明機(jī)械結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力學(xué)特性是影響魚類通過水輪機(jī)時(shí)受傷程度和存活率的主要原因，但目前對(duì)貫流式水輪機(jī)內(nèi)部水動(dòng)力學(xué)特性與魚類的損傷關(guān)系尚未進(jìn)行深入研究。本文首先對(duì)高壓損傷、低壓損傷、快速降壓損傷等可能對(duì)魚造成損傷的過程進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定損傷及致死閾值。然后基于得出的閾值，采用CFD 模擬方法對(duì)魚類下行通過貫流式水輪機(jī)進(jìn)行全流道非定常計(jì)算，對(duì)壓強(qiáng)、壓強(qiáng)梯度造成的魚體損傷進(jìn)行分析，以此揭示魚類通過貫流式水輪機(jī)的損傷機(jī)理和影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)裝置本研究基于水輪機(jī)過魚壓強(qiáng)損傷機(jī)理試驗(yàn)裝置，如圖1，模擬魚類通過水力機(jī)械時(shí)壓強(qiáng)變化，通過調(diào)節(jié)壓強(qiáng)變化閾值及變化速度，實(shí)現(xiàn)壓強(qiáng)的可控調(diào)節(jié)。將試驗(yàn)用魚放置于試驗(yàn)設(shè)備中，觀察魚的活動(dòng)特性，在試驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)計(jì)損傷情況并進(jìn)行分析。

圖1 水輪機(jī)過魚壓強(qiáng)損傷機(jī)理試驗(yàn)裝置

T1 是與真空泵相連通的真空儲(chǔ)氣罐，T2 是觀察試驗(yàn)罐，T3是與空氣壓縮機(jī)相連通的高壓儲(chǔ)氣罐。三個(gè)壓力罐通過管路連通，分別連接了真空表、壓力表，用于觀察各項(xiàng)設(shè)備調(diào)控及運(yùn)行是否正常，同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量并記錄試驗(yàn)過程中的壓強(qiáng)變化。其中高壓儲(chǔ)氣罐壓力等級(jí)為0.8 MPa，壓力表量程為0 至1.6 MPa，真空儲(chǔ)氣罐真空表量程為-0.1 至0 MPa，觀察儲(chǔ)氣罐壓力表量程為-0.1 至0.9 MPa，精度均為1.6 級(jí)。試驗(yàn)觀察罐T2 內(nèi)部裝水，并且設(shè)有觀察窗，罐口通過螺栓和密封圈壓緊，以便反復(fù)拆卸，用于試驗(yàn)前后將魚放入和取出。

2.2 試驗(yàn)方案本次試驗(yàn)選用鯽魚作為試驗(yàn)魚。試驗(yàn)前，測(cè)量魚體長(zhǎng)100～120 mm，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下喂養(yǎng)8 h，使其充分適應(yīng)人工環(huán)境，去除生命活力不旺盛個(gè)體，然后進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室水池養(yǎng)殖環(huán)境：水溫20～22 ℃，水中平均氧溶解量約0.0008%，pH值為7。

本次試驗(yàn)進(jìn)行了高壓損傷閾值測(cè)定和低壓閾值測(cè)定，高壓和低壓閾值測(cè)定時(shí)分別進(jìn)行3種工況方案的測(cè)試，每組10條試驗(yàn)魚，每組進(jìn)行5次反復(fù)試驗(yàn)。具體方案如表1和表2所示。

表1 高壓損傷閾值測(cè)定工況

表2 低壓損傷閾值測(cè)定工況

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析高壓損傷閾值測(cè)定試驗(yàn)過程中，通過觀察窗可看到觀察試驗(yàn)罐T2內(nèi)魚群向上游動(dòng)，負(fù)壓損傷閾值測(cè)定試驗(yàn)過程中，通過觀察窗可看到觀察試驗(yàn)罐T2 內(nèi)魚群向下游動(dòng)，反應(yīng)較強(qiáng)烈。每組試驗(yàn)結(jié)束后，將罐中網(wǎng)兜內(nèi)的魚取出編號(hào)，并在供氧條件下喂養(yǎng)，分別于試驗(yàn)后即時(shí)、12 h、36 h、6 d進(jìn)行觀察記錄，分別記錄各組魚未受損傷、受損傷失去平衡和死亡三種狀態(tài)。

2.3.1 高壓閾值分析 表3對(duì)高壓損傷閾值測(cè)定試驗(yàn)進(jìn)行了分析。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，正壓狀態(tài)下加壓至最大壓強(qiáng)0.68 MPa時(shí)，僅1條魚死亡，可以判定為試驗(yàn)誤差。因此，可認(rèn)為所有試驗(yàn)魚在正壓狀態(tài)下可以保持平衡，狀態(tài)較好，魚體損傷不明顯。對(duì)試樣魚進(jìn)行解剖觀察均正常。分析原因如下：正壓狀態(tài)下，魚處于利用自身生存的富氧環(huán)境，魚可以通過魚鰾及自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持壓強(qiáng)變化過程中鰾內(nèi)外壓強(qiáng)平衡。

表3 高壓損傷閾值測(cè)定試驗(yàn)分析

2.3.2 低壓閾值分析 表4對(duì)低壓損傷閾值測(cè)定試驗(yàn)進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各組試驗(yàn)魚出現(xiàn)不同程度的損傷，魚體無法保持自身平衡，甚至死亡。對(duì)試驗(yàn)魚進(jìn)行解剖后發(fā)現(xiàn)魚鰾部分或全部受損，鰾內(nèi)氣體減少。分析原因如下：負(fù)壓狀態(tài)下，試驗(yàn)過程中的壓強(qiáng)梯度超過魚鰾的承受能力，使其難以通過自身膨脹和排氣平衡內(nèi)外壓差，從而造成魚鰾不同程度損傷，使魚失去平衡，甚至死亡；同時(shí)魚處于負(fù)壓缺氧狀態(tài)。

由表4可知，隨著壓強(qiáng)閾值的降低，受損傷和死亡的試驗(yàn)魚越多，當(dāng)壓強(qiáng)閾值為-0.015 MPa 時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)2 條試驗(yàn)魚損傷，后死亡；實(shí)驗(yàn)完成6 d 后，有3 條魚死亡。當(dāng)壓強(qiáng)閾值為-0.075MPa時(shí)，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)所有試驗(yàn)魚均損傷，后全部死亡。

表4 低壓損傷閾值測(cè)定試驗(yàn)分析

通過上述對(duì)高壓和低壓閾值分析可見，對(duì)于本文研究的貫流式水輪機(jī)，其水頭較低，由于高壓導(dǎo)致的過機(jī)魚體損傷相對(duì)較小，主要分析由于負(fù)壓以及壓強(qiáng)梯度造成的過機(jī)魚體損傷。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，采用第4 組試驗(yàn)的閾值，重點(diǎn)分析不同工況下，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部負(fù)壓閾值低于-15 kPa 以及轉(zhuǎn)輪內(nèi)部負(fù)壓強(qiáng)梯度大于3 kPa/s的區(qū)域體積，并由此分析可能造成魚體損傷的概率。

3 數(shù)值模擬方法

3.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分本文計(jì)算采用的貫流式水輪機(jī)的三維實(shí)體模型如圖2。在三維建模過程中，將整個(gè)水輪機(jī)組劃分成4個(gè)部分，分別是進(jìn)水流道、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管。該水輪機(jī)的基本參數(shù)為Hr=4 m，最小水頭Hmin=3 m，最大水頭Hmax=5 m，轉(zhuǎn)速n=200 r/min，額定出力Pr=205 kW，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)Z=3，導(dǎo)葉數(shù)Z0=15，轉(zhuǎn)輪直徑D1=1.6 m。

圖2 貫流式水輪機(jī)三維模型

采用ICEM CFD 軟件對(duì)該貫流式水輪機(jī)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，由于該模型較為復(fù)雜，尤其是轉(zhuǎn)輪部分，因此在網(wǎng)格劃分時(shí)采用了自適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在網(wǎng)格劃分時(shí)，忽略了葉片輪緣與轉(zhuǎn)輪體外殼間的間隙流動(dòng)，注意了對(duì)近壁面等關(guān)鍵部位的局部加密。同時(shí)對(duì)該水輪機(jī)在網(wǎng)格劃分時(shí)進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證，采用4種方案進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，如圖3所示，網(wǎng)格數(shù)達(dá)到610萬時(shí)，效率的相對(duì)差值在0.1%以內(nèi)。綜合考慮計(jì)算精度與節(jié)省計(jì)算資源，最終網(wǎng)格數(shù)為610 萬，圖4為網(wǎng)格劃分示意圖。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

圖4 貫流式水輪機(jī)網(wǎng)格劃分

3.2 湍流模型和邊界條件本文計(jì)算中采用了標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，該湍流模型可以較為精確的模擬轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉區(qū)域的湍流流動(dòng)狀態(tài)，從而捕捉水輪機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)特性。在N-S 方程求解過程中，采用有限體積法對(duì)控制方程組進(jìn)行離散，對(duì)流項(xiàng)采用高階求解格式。貫流式水輪機(jī)所包括的部件中，除了轉(zhuǎn)輪是高速旋轉(zhuǎn)的部件外，其余均為靜止部件。在數(shù)值計(jì)算中，認(rèn)為壁面是絕熱無滑移壁面（no slip），采用近壁函數(shù)法對(duì)湍流流動(dòng)的近壁進(jìn)行處理，同時(shí)采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法（Frozen rotor）設(shè)置導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪與尾水管的交界面。進(jìn)口邊界條件設(shè)置為壓力進(jìn)口（total pressure），進(jìn)口處的壓力根據(jù)水輪機(jī)的水頭換算得出，出口處的邊界條件為自由出流（opening）相對(duì)壓力設(shè)置為0，計(jì)算精度為10-5。

4 魚類運(yùn)動(dòng)軌跡及損傷概率研究方法

魚體順?biāo)鬟M(jìn)入貫流式水輪機(jī)中的運(yùn)軌跡受到水輪機(jī)流道內(nèi)流場(chǎng)的影響情況比較明顯，因此，本文在貫流式水輪機(jī)流道內(nèi)選取一條水流質(zhì)點(diǎn)跡線作為魚類運(yùn)動(dòng)軌跡來進(jìn)行相關(guān)研究。

本文參考第2 節(jié)中壓強(qiáng)閾值的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，選取相對(duì)壓強(qiáng)小于-15 kPa和負(fù)壓強(qiáng)梯度大于3 kPa/s作為魚類不發(fā)生壓強(qiáng)損傷的閾值。魚體通過貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪時(shí)受壓強(qiáng)損傷概率的計(jì)算方法如下：P（A）即表示魚類遭遇貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)壓強(qiáng)損傷的概率，可根據(jù)貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)魚類遭受低壓損傷的區(qū)域體積占轉(zhuǎn)輪過流通道總體積的百分比進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：P（A）為魚類遭受轉(zhuǎn)輪內(nèi)壓強(qiáng)損傷的概率；Vp為轉(zhuǎn)輪內(nèi)相對(duì)壓強(qiáng)小于-15 kPa 的區(qū)域體積，m3；Vtotal為轉(zhuǎn)輪內(nèi)部過流通道區(qū)域的總體積，m3。

以貫流式水輪機(jī)三維過流通道的數(shù)值模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)文獻(xiàn)［21］所提到的水輪機(jī)內(nèi)部壓強(qiáng)梯度的計(jì)算方法進(jìn)行分析計(jì)算，其計(jì)算方程式如下所示：

式中：P（B）為魚類遭受高壓強(qiáng)梯度而受傷的概率；Vpg為貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)壓強(qiáng)梯度大于3 kPa/s的區(qū)域體積，m3；Vtotal為貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪過流區(qū)域的總體積，m3。

5 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

本文選取了5 種不同導(dǎo)葉開度下貫流式水輪機(jī)在最小水頭Hmin、設(shè)計(jì)水頭Hr、最大水頭Hmax3 種水頭進(jìn)行數(shù)值模擬，圖5給出了不同水頭下效率隨開度變化的曲線。在計(jì)算的工況中，開度較大時(shí)，效率增長(zhǎng)減緩，在3 m水頭，導(dǎo)葉最大開度為90 mm時(shí)，水輪機(jī)效率最高達(dá)到90.30%。

圖5 貫流式水輪機(jī)各工況下的效率曲線

5.1 貫流式水輪機(jī)中魚類遭受壓強(qiáng)損傷概率分析通過數(shù)值模擬計(jì)算了貫流式水輪機(jī)在最小水頭Hmin、設(shè)計(jì)水頭Hr、最大水頭Hmax3 種水頭下，不同導(dǎo)葉開度下轉(zhuǎn)輪內(nèi)相對(duì)壓強(qiáng)小于-15 kPa 的區(qū)域體積，且已知該貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部過流通道區(qū)域的總體積Vtotal=1.958 13 m3。根據(jù)式（1）計(jì)算得到該貫流式水輪機(jī)在各流量工況下運(yùn)行時(shí)魚類遭受轉(zhuǎn)輪內(nèi)壓強(qiáng)損傷的概率P（A）。圖6、圖7、圖8為同一葉片安放角時(shí)，不同水頭時(shí)不同導(dǎo)葉開度下相對(duì)壓強(qiáng)小于-15 kPa的區(qū)域。

圖6 Hmin=3m：轉(zhuǎn)輪處壓強(qiáng)低于-15kPa區(qū)域

圖7 Hr=4m：轉(zhuǎn)輪處壓強(qiáng)低于-15kPa區(qū)域

圖8 Hmax=5m：轉(zhuǎn)輪處壓強(qiáng)低于-15kPa區(qū)域

圖9為最小水頭Hmin、設(shè)計(jì)水頭Hr、最大水頭Hmax下魚類遭受轉(zhuǎn)輪內(nèi)壓強(qiáng)損傷概率P（A）隨水輪機(jī)出力的變化情況。根據(jù)圖6至圖8可知，相對(duì)壓強(qiáng)小于-15 kPa 的區(qū)域主要位于葉片背面靠近進(jìn)口邊的位置，且當(dāng)水頭一定時(shí)，貫流式水輪機(jī)在不同導(dǎo)葉開度下運(yùn)行時(shí)，相對(duì)壓強(qiáng)小于-15 kPa的區(qū)域隨著流量的增加呈增多趨勢(shì)，因此根據(jù)式（1）可知，魚類遭受壓強(qiáng)損傷概率隨著流量的升高呈增大趨勢(shì)。在大水頭工況時(shí)，相對(duì)壓強(qiáng)小于-15 kPa 的區(qū)域隨著流量的增加而增多的趨勢(shì)減緩，在小水頭工況時(shí)，該區(qū)域面積增多的趨勢(shì)迅速。該原因主要是在低水頭工況時(shí)，水輪機(jī)進(jìn)口壓力相對(duì)較低，經(jīng)過轉(zhuǎn)輪將壓能轉(zhuǎn)換之后，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的壓強(qiáng)相對(duì)較低。同時(shí)，在小開度時(shí)，相對(duì)壓強(qiáng)小于-15 kPa的區(qū)域隨著水頭的增大呈增多趨勢(shì)；而在大開度時(shí)，相對(duì)壓強(qiáng)小于-15 kPa的區(qū)域隨著水頭的增大呈減少趨勢(shì)。該原因主要是：在小開度時(shí)，隨著水頭的提高，水輪機(jī)的過流量增大，效率增高快，被轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)換利用的水流壓能相對(duì)增加，故經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)輪內(nèi)部低壓區(qū)增多。而在大開度時(shí)，隨著水頭的提高，水輪機(jī)的過流量增大，效率下降，被轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)換利用的水流壓能相對(duì)減少，故經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)輪內(nèi)部低壓區(qū)減少。

根據(jù)圖9可知，魚體遭受壓強(qiáng)損傷的概率隨著流量的增大而增大。當(dāng)水輪機(jī)在最小水頭Hmin=3 m的大流量工況時(shí)，魚類遭受壓強(qiáng)損傷概率達(dá)到了最大值P（A）=6.45%。各種導(dǎo)葉開度下，最小水頭Hmin=3 m魚類遭受壓強(qiáng)損傷概率平均值為2.289%，設(shè)計(jì)水頭Hr=4m魚類遭受壓強(qiáng)損傷概率平均值為2.029%，最大水頭Hmax=5 m魚類遭受壓強(qiáng)損傷概率平均值為1.752%。其中最小水頭Hmin=3 m魚類遭受壓強(qiáng)損傷概率平均值最大，因此在水頭較小時(shí)，通過該貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪時(shí)魚體遭受壓強(qiáng)損傷概率越大。

圖9 不同水頭時(shí)魚類遭受壓強(qiáng)損傷概率

5.2 貫流式水輪機(jī)中魚受壓強(qiáng)梯度損傷概率分析通過數(shù)值模擬計(jì)算了貫流式水輪機(jī)在最小水頭Hmin、設(shè)計(jì)水頭Hr、最大水頭Hmax3 種水頭下，不同導(dǎo)葉開度下轉(zhuǎn)輪內(nèi)壓強(qiáng)梯度大于3 kPa/s 的區(qū)域體積。圖10為同一葉片安放角時(shí)，設(shè)計(jì)水頭4 m 時(shí)不同導(dǎo)葉開度下壓強(qiáng)梯度大于3 kPa/s 的區(qū)域。該區(qū)域主要出現(xiàn)在葉片進(jìn)水邊，在小開度時(shí)，出現(xiàn)在偏葉片外緣位置；隨著開度的增大，靠近輪轂處也出現(xiàn)壓強(qiáng)梯度大于3 kPa/s 的區(qū)域；當(dāng)導(dǎo)葉開度繼續(xù)增加到90 mm 時(shí)，靠近輪轂處，壓強(qiáng)梯度大于3 kPa/s的區(qū)域又減小。根據(jù)式（2）計(jì)算得到貫流式水輪機(jī)在各流量工況下運(yùn)行時(shí)魚類遭受轉(zhuǎn)輪內(nèi)壓強(qiáng)梯度損傷的概率P（B）。

圖10 Hr=4m：轉(zhuǎn)輪處壓強(qiáng)梯度高于3kPa/s區(qū)域

圖11為最小水頭Hmin、設(shè)計(jì)水頭Hr、最大水頭Hmax下魚類遭受轉(zhuǎn)輪內(nèi)壓強(qiáng)梯度損傷概率P（B）隨水輪機(jī)出力的變化情況。根據(jù)圖11可知，該貫流式水輪機(jī)在不同導(dǎo)葉開度下運(yùn)行時(shí)，壓強(qiáng)梯度大于3 kPa/s的區(qū)域隨著流量的增加呈先增多后減少，魚類遭受壓強(qiáng)梯度損傷概率隨著流量的升高呈先增大后減小趨勢(shì)。當(dāng)水輪機(jī)在最大水頭的導(dǎo)葉開度為60 mm 時(shí)，魚類遭受壓強(qiáng)梯度損傷概率達(dá)到了最大值P（B）=4.61%。各種導(dǎo)葉開度下，最小水頭Hmin=3 m 魚類遭受壓強(qiáng)梯度損傷概率平均值為1.969%，設(shè)計(jì)水頭Hr=4 m 魚類遭受壓強(qiáng)梯度損傷概率平均值為3.197%，最大水頭Hmax=5 m 魚類遭受壓強(qiáng)梯度損傷概率平均值為4.067%。其中最大水頭Hmax=5 m 魚類遭受壓強(qiáng)梯度損傷概率平均值最大，因此在水頭較大時(shí)，通過該貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的魚體遭受壓強(qiáng)梯度損傷概率越大。

圖11 不同水頭時(shí)魚類遭受壓強(qiáng)梯度損傷概率

6 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法分析了魚類通過貫流式水輪機(jī)流道時(shí)遭受壓強(qiáng)及壓強(qiáng)梯度損傷的概率，結(jié)論如下：（1）基于水輪機(jī)過魚壓強(qiáng)損傷機(jī)理試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了鯽魚在高壓和低壓時(shí)的損傷閾值測(cè)定，負(fù)壓區(qū)壓強(qiáng)值越低，魚類壓強(qiáng)調(diào)節(jié)能力越弱，魚類受損傷越大；魚類可承受一定的壓強(qiáng)梯度，壓強(qiáng)梯度值越高，對(duì)魚類損傷越大。（2）正壓狀態(tài)下加壓至最大壓強(qiáng)0.68 MPa時(shí)，對(duì)魚損傷不明顯。負(fù)壓狀態(tài)下，隨著壓強(qiáng)閾值的降低，受損傷和死亡的試驗(yàn)魚越多，壓強(qiáng)下降壓至-0.015 MPa時(shí)，魚類受到損傷，選取該值作為數(shù)值計(jì)算分析魚體損傷概率的閾值；當(dāng)壓強(qiáng)繼續(xù)下降至-0.075 MPa時(shí)，魚類全部死亡。（3）根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得閾值，通過該貫流式水輪機(jī)內(nèi)部時(shí)，魚類遭受壓強(qiáng)損傷概率隨著流量的升高呈增大趨勢(shì)，當(dāng)水輪機(jī)在最小水頭的大流量工況時(shí)，魚類遭受壓強(qiáng)損傷概率達(dá)到了最大值6.45%；魚類遭受壓強(qiáng)梯度損傷概率隨著流量的升高呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)水輪機(jī)在最大水頭的導(dǎo)葉開度為60 mm時(shí)，魚類遭受壓強(qiáng)梯度損傷概率達(dá)到了最大值4.61%。