CN103563820A - 一种测量鱼类受水轮机流道空泡损伤的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置，其特征在于：包括密闭水箱、封闭水循环系统和信号采集装置；所述密闭水箱中充入水和实验鱼体；所述封闭水循环系统包括依次连接的吸水管路、离心水泵、压水管路和隔鱼网筛；所述吸水管路的进水口端和所述压水管路的出水口端均设置在所述密封水箱内构成水循环；所述信号采集装置包括水下高速摄像机、压力传感器、放大电路、A/D数模转换卡和计算机。本发明装置，具有结构简单、成本低、易操作，能模拟水轮机流道内空泡水流环境对鱼体的影响，为优化水轮机设计和运行提供借鉴。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量鱼类受水环境损伤的实验装置，具体涉及一种测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置。
背景技术
水轮机是水利水电工程中将水能转换成电能的重要能量转换设备，其性能决定着水利水电工程的经济效益。然而洄游性鱼类在穿过水轮机过坝或被误吸入水轮机时往往遭受到严重伤害，对于普通水轮机鱼类通过水轮机的死亡率超过30%。鱼类通过水轮机时可能遭受的伤害机理为机械、压力、剪切和空蚀四种原因：机械损害指鱼类通过水轮机流道时与流道内水轮机元件或水流中的物体相撞击、摩擦导致鱼体受到伤害；压力损害指鱼类通过水轮机流道中压力突变区域所遭受的伤害；剪切损害指水轮机过流流道中靠近固体边界附近出现较大的剪切应力，对水流中的鱼体产生伤害；空蚀损害指由于水轮机过流流道内发生水体空蚀，空蚀使流道内水体产生大量空泡，空泡溃灭过程使其附近形成高压冲击波或高速微射流，对通过此区域的鱼体产生伤害。
为提高水轮机的生态效益，有效保护河道内鱼类资源，水轮机在设计和运行过程中，应该充分考虑其对鱼类的损伤问题，对鱼体通过水轮机流道遭受的损伤因素及损伤阈值进行测量，具体包括鱼类损伤综合因素研究及其各项主要损伤因素的分类研究（如压力变化梯度、水流剪切力、空泡效应等），最终得到鱼类安全通过水轮机流道的压力变化梯度、速度梯度、空蚀数等阈值，为环保型水轮机的设计和运行提供参考。
对水轮机各项综合因素作用的研究包括模型试验和真机试验的方法，对各项主要损伤因素的分类研究则一般采用人工模拟试验方法，即人为模拟水轮机内空化、压力梯度、负压变化和速度梯度等现象，观察每种效应对鱼的损伤情况。例如，V.Frenkel等将鱼体绑定在U形槽内，利用超声波装置产生空化泡，观察空化泡形成和破裂过程对鱼表皮及组织的损伤情况。然而此装置仅从生物学上探讨鱼体表皮组织受空泡的影响，不能模拟鱼体在周围水体中因空泡生成和溃灭引起的损伤。由于鱼体在水轮机内部对损伤有一定自动回避性，而V.Frenkel提出的固定鱼体的试验装置不能模拟水轮机流道空泡对鱼类的损伤。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能较好的模拟水轮机流道动水负压空化环境下，水体空化产生大量空泡的局部水流环境，得出水轮机对流道内鱼体产生空泡损伤的空蚀数阈值,测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置。
技术方案：本发明所述的测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置，包括密闭水箱、封闭水循环系统和信号采集装置；
所述密闭水箱中充入水和实验鱼体；所述密闭水箱与可调节所述密闭水箱内真空度的真空泵、真空泵启动电机连接；所述密闭水箱上设置有空气阀；
所述封闭水循环系统包括依次连接的吸水管路、离心水泵、压水管路和隔鱼网筛；所述吸水管路的进水口端和所述压水管路的出水口端均设置在所述密封水箱内构成水循环；所述压水管路的出水口与所述吸水管路的进水口之间通过所述隔鱼网筛连接，阻止密闭水箱内实验鱼体进入管道；所述压水管路的出水口处为渐缩管，出水口端面直径D2与压水管路直径D的比值小于1/3，使得水流在压水管路出口处以高速水流的形式淹没出流，在负压环境下，水体空化，形成空泡；
所述信号采集装置包括水下高速摄像机、压力传感器、放大电路、A/D数模转换卡和计算机；所述水下高速摄像机设置在密闭水箱内水下水箱内壁上，用于记录实验鱼体的状态和损伤情况；所述压力传感器分别设置在隔鱼网筛上靠近压水管路出水口与吸水管路进水口处，所述压力传感器通过放大电路和A/D数模转换卡将信号输入计算机。
通过真空泵、离心水泵及封闭水循环系统使放置实验鱼体的密闭水箱内形成含有大量空泡的动水紊流环境，水流通过水泵压水管路锥形出口形成高速水流喷入密闭水箱，并通过设置在密闭水箱底部的吸水管路入口流出，水体的循环、水箱内的负压环境及高速入流致使水流进入密闭水箱后在负压动水环境中形成大量空泡，空泡在水体的紊动效应下不断产生和溃灭，由此在空泡附近形成高压冲击波或高速微射流，可能对水体中的实验鱼体产生空泡损伤。工作时，启动离心水泵，通过吸水管路自密闭水箱底部吸入流量并将流量压入压水管路并在密闭水箱内排出，使密闭水箱内水体保持动水紊流状态；关闭密闭水箱顶部空气阀，启动真空泵降低密闭水箱内压力Pk，使其Pk≤2.4kPa(水常温下空化压力)；通过密闭水箱的透明性和设置的水下高速摄像机观察和记录实验鱼体在空泡水流环境下的状态和损伤情况。
优选地，所述密闭水箱中充入2/3容积的水，放入体长小于1/3水箱半径R的实验鱼体。
所述密闭水箱为钢化玻璃材质的圆筒型结构，水箱顶部密封盖与容器采用弹性密封圈和螺钉固定，密封盖上装有真空表和压力表，可测量密闭水箱内的真空值和压力值。
所述水下高速摄像机为4个，对称设置在密闭水箱水面以下1/8水深处环水箱壁上。
所述吸水管路和压水管路上分别设置有第一流量控制阀门和第二流量控制阀以控制管路中的水流量，所述压水管路上设置有节流孔板，对流量值进行测量，
优选地，所述隔鱼网筛为六角镀锌细铁丝网围成圆台形，上部连接压力水管出口，下部连接吸水管路入口，作用为阻止密闭水箱内实验鱼体进入管道。
所述吸水管路上设置有水银真空计，所述压水管路上设置有压力表。
所述真空泵与所述密闭水箱之间设置有逆止阀。
作为优选，所述的离心水泵采用变频离心水泵。
作为优选，真空泵采用2BE型水环式真空泵。
作为优选，压力传感器选用PK8869气体压力传感器。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明装置通过密闭水箱透明特性和密闭水箱内设置的水下高速摄像机观察和记录密闭水箱里的实验鱼体在空泡环境下的状态及损伤情况，并通过流量调节阀门、离心水泵及真空泵改变水箱内水流环境，测试实验鱼体在不同空泡量下的状态和损伤情况。本发明装置，具有结构简单、成本低、易操作，能模拟水轮机流道内空泡水流环境对鱼体的影响，为优化水轮机设计和运行提供借鉴。
附图说明
图1为本发明实验装置整体结构示意图；
图2为本发明测量密闭水箱结构图；
图3为图2的A视图；
图4为图2的B视图；
图5为图2的D-D视图；
图6为本发明隔鱼网筛结构图；
图7为图6的C-C视图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：本发明测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置，如图1所示，包括密闭水箱2、封闭水循环系统和信号采集装置。
所述密闭水箱2为钢化玻璃材质的圆筒型结构，水箱顶部密封盖与容器采用弹性密封圈22和螺钉21固定，密封盖上装有真空表13和压力表11；所述密闭水箱2中充入2/3容积的水，放入体长小于1/3水箱半径R的实验鱼体；所述密闭水箱2与可调节所述密闭水箱2内真空度的真空泵10、真空泵启动电机19连接，所述真空泵10与所述密闭水箱2之间设置有逆止阀23；所述密闭水箱2上设置有空气阀12。
所述封闭水循环系统包括依次连接的吸水管路3、离心水泵1、压水管路4和隔鱼网筛18；所述吸水管路3的进水口端和所述压水管路4的出水口端均设置在所述密封水箱2内构成水循环；所述压水管路4的出水口与所述吸水管路3的进水口之间通过所述隔鱼网筛18连接，所述隔鱼网筛18为六角镀锌细铁丝网围成圆台形；所述压水管路4的出水口处为渐缩管，出水口端面直径D2与压水管路直径D的比值小于1/3；所述吸水管路3和压水管路4上分别设置有第一流量控制阀门20和第二流量控制阀7，所述压水管路4上设置有节流孔板8。所述吸水管路3上设置有水银真空计5，所述压水管路4上设置有压力表6。
所述信号采集装置包括水下高速摄像机24、压力传感器14、放大电路15、A/D数模转换卡16和计算机17；所述水下高速摄像机24为4个，对称设置在密闭水箱2水面以下1/8水深处环水箱壁上，用于记录实验鱼体的状态和损伤情况；所述压力传感器14分别设置在隔鱼网筛18上靠近压水管路4出水口与吸水管路3进水口处，所述压力传感器14通过放大电路15和A/D数模转换卡16将信号输入计算机17。
在本实施例中，采用变频离心水泵1使密闭水箱2与吸水管路3、压水管路4形成动水紊流自循环系统，变频离心水泵不但具有体积小、结构简单、操作容易、节能等优点，还方便对流量进行调节，通过第一流量控制阀门20和第二流量控制阀7改变水泵进出水口的流速，从而改变密闭水箱2进水口和出水口的压差，调节密闭水箱2内水体的压力分布，水流通过水泵压水管路4的锥形出口高速出流，在密闭水箱2负压环境下水流空化，形成大量空泡，密闭水箱2内动水紊流状态促使形成的空泡不断溃灭，空泡生成与溃灭引起附近高压冲击波或高速微射流的形成，可能对水体中的实验鱼体产生空泡损伤。真空泵10采用2BE型水环式真空泵，其结构简单、维修方便、运行可靠、高效节能，抽气速率412m3/h，极限真空值-0.098MPa，配用Y160M-4电机19。在密闭水箱2内压水管路4出水口与吸水管路3进水口之间设置采用六角镀锌细铁丝网围成圆台形状的隔鱼网筛18，避免密闭水箱2内实验鱼体进入吸水管路和出水管路。在隔鱼网筛18靠近压水管路4出水口和吸水管路3进水口处分别安装压力传感器14，监测密闭水箱2内进水口和出水口的压力值。压力传感器14选用PK8869气体压力传感器，其测量范围为0~0.7MPa,最大输出信号225mV。放大电路15的电压输入范围为0~10mA。A/D数模转换卡16采用AC1057型通用A/D板，计算机17通过它得到信号，转换成气压时间变化曲线显示出来。
本发明测量鱼类受水轮机流道空泡损伤的实验装置所用的仪器设备以及结构尺寸：
1.圆筒型结构密闭水箱2的尺寸为半径R=0.7m，高H=1.5m；
2.变频离心水泵采用ZS65-40-125/1.5型离心泵；
3.吸水管路3和压水管路4采用直径D=150mm的钢管，位于密闭水箱2内的压水管路4出口直径D2=30mm；
4.真空泵10采用2BE型水环式真空泵，抽气速率412m3/h，极限真空值-0.098MPa，配用Y160M-4电机19；
5.隔鱼网筛18采用六角镀锌细铁丝网；
6.压力传感器14采用PK8869气体压力传感器，其测量范围为0~0.7MPa,最大输出信号225mV；
7.A/D数模转换卡16采用AC1057型通用A/D板；
8.水下高速摄像机采用昱帆-YF-1106S型水下高速摄像机。
利用本发明的实验装置进行鱼类受水轮机流道空泡损伤的实验按以下步骤进行：
1、将密闭水箱2装入2/3容积的水，将5~10条体长小于0.2m的实验鱼体放入密闭水箱2，通过弹性密封圈22和螺钉21密封密闭水箱2，并通过密闭水箱2顶盖上装有真空表13、压力表11监测密闭水箱2内的真空值和压力值。
2、打开第一流量控制阀门20和第二流量控制阀7，启动电动机9和离心水泵1，使密闭水箱2、吸水管路3、离心水泵1及压水管路4形成封闭自循环水系统，在密闭水箱2内形成动水紊流环境，通过节流孔板8测量压水管路4流量，水银真空计5测量离心水泵1进口真空值，压力表6测量水泵出口压力值。
3、关闭密闭水箱2顶部空气阀12，启动真空泵10，通过密闭水箱2顶部真空表13及压力表11监测密闭水箱2内真空值和压力值，当水箱内压力值小于等于水常温下的空化压力2.4KPa，停止真空泵10工作，并通过逆止阀23保证水箱内真空值。
4、水泵压水管路4通过锥形出口向密闭水箱2喷出高速水流，在密闭水箱2负压作用下，水体空化，形成空泡，空泡在密闭水箱2内水体强烈的紊动作用下不断溃灭，溃灭释放能量的同时在空泡附近产生高速微射流及高压冲击波，对水体内实验鱼体产生影响和损伤，通过密闭水箱2的透明性和设置的高速摄像机观察和记录空泡数量及实验鱼体状态，并通过实验后对实验鱼体的暂养观察及解剖鉴定鱼体损伤程度。
5、通过改变离心水泵1的流量和真空泵10的抽气时间改变密闭水箱2内的流量和压力，测试不同压力及流量环境下，密闭水箱2内的空泡数量及实验鱼体损伤情况，并做统计分析，得出水体压力分布、空泡数量与鱼体损伤的关系，有效模拟水轮机流道环境引起的空泡对进入水轮机流道的鱼体产生的影响和损伤。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (9)
1.一种测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置，其特征在于：包括密闭水箱（2）、封闭水循环系统和信号采集装置；
所述密闭水箱（2）中充入水和实验鱼体；所述密闭水箱（2）与可调节所述密闭水箱（2）内真空度的真空泵（10）、真空泵启动电机（19）连接；所述密闭水箱（2）上设置有空气阀（12）；
所述封闭水循环系统包括依次连接的吸水管路（3）、离心水泵（1）、压水管路（4）和隔鱼网筛（18）；所述吸水管路（3）的进水口端和所述压水管路（4）的出水口端均设置在所述密封水箱（2）内构成水循环；所述压水管路（4）的出水口与所述吸水管路（3）的进水口之间通过所述隔鱼网筛（18）连接；所述压水管路（4）的出水口处为渐缩管，出水口端面直径D2与压水管路直径D的比值小于1/3；
所述信号采集装置包括水下高速摄像机（24）、压力传感器（14）、放大电路（15）、A/D数模转换卡（16）和计算机（17）；所述水下高速摄像机（24）设置在密闭水箱（2）内水下水箱内壁上，用于记录实验鱼体的状态和损伤情况；所述压力传感器（14）分别设置在隔鱼网筛（18）上靠近压水管路（4）出水口与吸水管路（3）进水口处，所述压力传感器（14）通过放大电路（15）和A/D数模转换卡（16）将信号输入计算机（17）。
2.根据权利要求1所述的测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置，其特征在于：所述密闭水箱（2）中充入2/3容积的水，放入体长小于1/3水箱半径R的实验鱼体。
3.根据权利要求1所述的测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置，其特征在于：所述密闭水箱（2）为钢化玻璃材质的圆筒型结构，水箱顶部密封盖与容器采用弹性密封圈(22)和螺钉(21)固定，密封盖上装有真空表(13)和压力表(11)。
4.根据权利要求1所述的测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置，其特征在于：所述水下高速摄像机（24）为4个，对称设置在密闭水箱（2）水面以下1/8水深处环水箱壁上。
5.根据权利要求1所述的测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置，其特征在于：所述吸水管路（3）和压水管路（4）上分别设置有第一流量控制阀门（20）和第二流量控制阀（7），所述压水管路（4）上设置有节流孔板（8）。
6.根据权利要求1所述的测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置，其特征在于：所述隔鱼网筛（18）为六角镀锌细铁丝网围成圆台形。
7.根据权利要求1所述的测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置，其特征在于：所述吸水管路（3）上设置有水银真空计（5）。
8.根据权利要求1所述的测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置，其特征在于：所述压水管路（4）上设置有压力表（6）。
9.根据权利要求1所述的测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置，其特征在于：所述真空泵（10）与所述密闭水箱（2）之间设置有逆止阀（23）。
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2013
- 2013-11-04 CN CN201310538495.9A patent/CN103563820B/zh active Active
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