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《西安理工大学》 2020年
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贯流式水轮机内部的过机鱼类损伤机理研究

李江  
【摘要】:水利建筑工程的兴建对河流的生态环境会造成一定程度的负面影响,尤其是对于鱼类洄游繁殖。最为常见的解决方法是引导鱼类通过水力机械而过坝,但与此同时也存在鱼类损伤等生物问题。鱼在过机时受到的伤害类型有:机械损伤、低压损伤、高剪切力引起的压力梯度损伤和空化损伤。国内外关于鱼类过机损伤的研究大多以实验为主,得到了许多鱼类损伤研究成果,但由于实验的局限性和高成本,不能够进行不同型式水力机械、不同鱼种的过鱼实验,故而有必要运用数值模拟的方法进行该研究。贯流式水轮机多用于流量大、水头低的常规电站或潮汐能电站,而使用该型水轮机的河流或海域中的鱼类较多,会影响河海的生物圈,特别是鱼类的繁衍,因此需要对贯流式水轮机内部鱼类伤亡机理进行研究,实现水力发电和生态系统共赢。本文通过数值模拟方法对贯流式水轮机过机鱼类进行研究,主要侧重于关注鱼类过机时受到的低压损伤和压力梯度损伤。相关研究内容如下:(1)本文在研究鱼类通过贯流式水轮机时,基于浸没边界-格子Boltzmann耦合方法(IB-LBM)建立了鱼类通过贯流式水轮机全流道的计算模型,该方法的特点为采用无贴体网格,计算单元为格子,省去了划分网格的步骤,极大简化了数值模拟的工作量。IB-LBM历经十余年的发展与更新,成功地应用于生物流体力学、医学和传热学等各个领域的技术研究,但用于水力机械模拟计算的算例较少。本文以某电站的贯流式水轮机原型机为背景,验证了IB-LBM在水轮机模拟的可靠性。结果显示,该方法可以很好地模拟出贯流式水轮机的外特性,误差值在5%以下,为后续研究鱼类在贯流式水轮机内部的致损机理奠定了基础。(2)为了了解鱼类在过机时所受到的损伤情况,首先进行了一条鱼过机的模拟计算。本文选取水轮机的三个工况进行模拟,并在鱼表面设置三个监测点进行压力值监测,得到鱼类从灯泡体到尾水管过程中的压力变化,特别是对鱼类通过贯流式水轮机转轮区域时的压力值进行了详细分析。结果显示,在三个不同的工况中,鱼通过贯流式水轮机低压区时会受到不同程度的低压损伤和压力梯度损伤,鱼受到损伤与水轮机工况有直接联系。(3)鱼类是群居动物,鱼过机时受损与否或损伤的严重程度,不仅和水轮机工况有关,也与鱼进入水轮机流道位置和贯流式水轮机转轮低压区瞬时分布有一定关系。为进一步阐述鱼群进入水轮机流道时其所处位置与受损程度之间的联系,本文选取水轮机额定工况作为分析条件,模拟分析了多条鱼通过水轮机时各条鱼的损伤类型与损伤程度。根据数值模拟结果可知,进入水轮机流道时的空间位置差异确实会导致鱼体所受到的损伤类型和受损严重程度均有所差异。
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