CN107114297A - 一种模拟水轮机流道水流剪切对过机鱼体影响的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟水轮机流道水流剪切对过机鱼体影响的实验装置及方法，它包括高速射流生成系统、实验区及尾水处理装置和信号采集装置；所述高速射流生成系统与实验区及尾水处理装置相连，所述信号采集装置安装在实验区及尾水处理装置上。从而得到鱼体受剪切应力损伤的流速阈值，并观察鱼体在这一水动力因子下的各种反应，为进一步科学研究提供视频影像资料。

Description

一种模拟水轮机流道水流剪切对过机鱼体影响的实验装置及 方法

技术领域

本发明属于鱼类实验装置领域，具体涉及一种模拟水轮机流道水流剪切对过机鱼体影响的实验装置及方法。

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的高速水流对鱼体表面进行剪切应力的破坏产生伤害；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。

发明内容

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内高速射流剪切应力对鱼体影响的实验装置及方法，从而得到鱼体受剪切应力损伤的流速阈值，并观察鱼体在这一水动力因子下的各种反应，为进一步科学研究提供视频影像资料。

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种模拟水轮机流道水流剪切对过机鱼体影响的实验装置，它包括高速射流生成系统、实验区及尾水处理装置和信号采集装置；所述高速射流生成系统与实验区及尾水处理装置相连，所述信号采集装置安装在实验区及尾水处理装置上。

所述高速射流生成系统包括空气压缩机，所述空气压缩机通过压力管路与压力罐体相连通，所述空气压缩机上设置有数字显示操作台，通过数字显示操作台控制压力罐体内部压力；所述压力罐体的顶部安装有压力表、通气阀和进气阀；所述压力管路与进气阀相连。

所述实验区及尾水处理装置包括依次连接的可拆卸透明实验管、观察区试验水槽、滑动式薄壁溢流堰及尾水排放通道；所述可拆卸透明实验管的两端通过接头转换器分别与压力罐体的底部侧壁和观察区试验水槽相连；所述可拆卸透明实验管内部装有实验用鱼体；所述滑动式薄壁溢流堰安装在观察区试验水槽的外部用于调节水深。

所述信号采集装置包括高清摄像机、声学多普勒流速仪、视频信号转换器和计算机；所述信号采集装置整体架设在滑动钢架上，所述滑动钢架通过支座固定在实验区及尾水处理装置的观察区实验水槽顶部，所述高清摄像机设置在观察区实验水槽液面正上方，并通过视频信号转换器与计算机相连，所述声学多普勒流速仪安装在滑动钢架上，所述声学多普勒流速仪的探头设置在射流出口中心点处，所述声学多普勒流速仪通过数据信号转换器与计算机相连。

所述高清摄像机至少有两台，分别设在实验区及尾水处理装置的可拆卸透明实验管段和观察区实验水槽段。

所述观察区实验水槽采用玻璃材质制成，在底部与侧平面均布置有二维坐标纸，用于精确描述射流冲击后鱼体在该活动区域内的位置及表现。

所述压力罐体内部充水量不得超过容积的4/5，其顶部密封盖与容器采用弹性密封圈和螺栓固定密封，压力罐体出水口处设有手动射流启闭阀控制实验射流。

所述可拆卸透明实验管的管径根据实验鱼体尺寸大小设置了多种不同规格，实验过程中通过接头转换器实现不同管径的可拆卸透明实验管与实验总装置的连接，并在可拆卸透明实验管上标有刻度尺。

所述滑动式薄壁溢流堰的出水口设置有尾水排放通道。

所述可拆卸透明实验管的管径为鱼体最大宽度的1.2倍。

采用任意一项所述实验装置的实验方法，它包括以下步骤：

1）松动压力罐体盖顶处的法兰盘，加水到4/5体积处停止，将压力罐体密封好，关闭球形阀门，安装好压力表；

2）将空压机、压力罐体、装有实验鱼体的可拆卸透明实验管、观察区实验水槽依次连接起来，并检查密闭性是否达标；将高清摄像机固定在滑动钢架上，调整拍摄位置，接通电源，检查信号输出是否正常；

3）接通电源，操作数字显示操作台，向密闭罐体内输送压力，当加压到0.4MPa时，停止加压，数字显示操作台，维持压力0.4MPa不变；

4）保证信号采集装置正常工作的前提下，搬动出水口球阀，观察鱼体在高速水流射击下的反应及体貌生理变化，实验人员做好实验记录，包括流速仪数据、鱼体损伤描述、实验前后鱼体状态变化，高清摄像机全程做影像记录；

5）实验观察结束后，关闭出水口球形阀，取下可拆卸透明实验管，更换新的实验标本；

6）检查装置是否漏水，信号采集装置是否正常，压力是否稳定，检查无误后，重复上述操作步骤4）-5）继续进行下一组实验。

本发明有如下有益效果：

1、通过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，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。

2、本实验装置旨在利用简单的结构、低廉的造价和方便的操作，尽可能地对水轮机流道内高速射流剪切应力对鱼体影响做精确模拟。

3、通过空气压缩机上的数字显示操控台实现对压力罐体加压、恒压等操作的控制；压力罐体顶盖处设有压力表用以实时读取罐体内部压力数值，同时设有通气阀门实现减压排气等功能。

4、调节滑动式薄壁溢流堰到所需高度，能够实现观察区实验水槽水位稳定在实验要求位置，多余尾水将通过尾水排放通道弃掉。

5、通过信号采集装置实现对实验鱼体实验情况的实时捕捉。

6、通过密封盖上装有压力表方便实时读取罐体内部压力数值，压力罐体出水口处设有手动射流启闭阀控制实验射流。

7、管径根据实验鱼体尺寸大小设置了多种不同规格，实验过程中通过接头转换器实现不同管径的可拆卸透明实验管与实验总装置的连接以及可拆卸透明实验管的拆卸，可拆卸透明实验管上标有刻度尺，方便鱼体尺寸数据的读取。

8、观察区实验水槽采用玻璃材质制成，在底部与侧平面均布置有二维坐标纸，用于精确描述射流冲击后鱼体在该活动区域内的位置及表现。

9、通过调节滑动钢架与流速仪间的相对位置，将探头固定在射流出口中心点处。经过数据信号转换器处理后的数据可在计算机上读取实时流速与平均流速，为模型律定提供关键数据。

10、通过至少两台高速摄像机，分别架设在可拆卸透明实验管段和观察区实验水槽段。由于在高速水体冲击下，鱼体被迫快速移动，因此要利用高清摄像机全程进行影像捕捉。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的整体结构示意图。

图中：空气压缩机1、数字显示操作台2、压力管路3、进气阀4、压力表5、通气阀6、可拆卸透明实验管7、鱼体8、声学多普勒流速仪9、探头10、观察区实验水槽11、高清摄像机12、计算机13、高清摄像机12、视频信号转换器和计算机13、支座14、滑动钢架15、滑动式薄壁溢流堰16、尾水排放通道17、压力罐体18、弹性密封圈19、螺栓20、手动射流启闭阀23、接头转换器24。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

如图1，一种模拟水轮机流道水流剪切对过机鱼体影响的实验装置，它包括高速射流生成系统、实验区及尾水处理装置和信号采集装置；所述高速射流生成系统与实验区及尾水处理装置相连，所述信号采集装置安装在实验区及尾水处理装置上。

进一步的，所述高速射流生成系统包括空气压缩机1，所述空气压缩机1通过压力管路3与压力罐体18相连通，所述空气压缩机1上设置有数字显示操作台2，通过数字显示操作台2控制压力罐体18内部压力；所述压力罐体18的顶部安装有压力表5、通气阀6和进气阀4；所述压力管路3与进气阀4相连。工作过程中，可通过空气压缩机1上的数字显示操控台2实现对压力罐体18加压，其压力控制精度最小单位为0.02MPa、恒压等操作的控制；压力罐体18顶盖处设有压力表5用以实时读取罐体内部压力数值，同时设有通气阀门6实现减压排气等功能。

进一步的，所述实验区及尾水处理装置包括依次连接的可拆卸透明实验管7、观察区试验水槽11、滑动式薄壁溢流堰16及尾水排放通道17；所述可拆卸透明实验管7的两端通过接头转换器24分别与压力罐体18的底部侧壁和观察区试验水槽11相连；所述可拆卸透明实验管7内部装有实验用鱼体8；所述滑动式薄壁溢流堰16安装在观察区试验水槽11的外部用于调节水深。为实现观察区实验水槽水位稳定在实验要求位置，可调节滑动式薄壁溢流堰16到所需高度；多余尾水将通过尾水排放通道17弃掉。

进一步的，所述信号采集装置包括高清摄像机12、声学多普勒流速仪9、视频信号转换器和计算机13；所述信号采集装置整体架设在滑动钢架15上，所述滑动钢架15通过支座14固定在实验区及尾水处理装置的观察区实验水槽11顶部，所述高清摄像机12设置在观察区实验水槽11液面正上方，并通过视频信号转换器与计算机13相连，所述声学多普勒流速仪9安装在滑动钢架15上，所述声学多普勒流速仪9的探头10设置在射流出口中心点处，所述声学多普勒流速仪9通过数据信号转换器与计算机13相连。通过高清摄像机12对实验鱼体实验情况实时捕捉。经过数据信号转换器处理后的数据可在计算机13上读取实时流速与平均流速，为模型律定提供关键数据。

进一步的，所述高清摄像机12至少有两台，分别设在实验区及尾水处理装置的可拆卸透明实验管7段和观察区实验水槽11段。由于在高速水体冲击下，鱼体被迫快速移动，因此要利用高清摄像机全程进行影像捕捉。

进一步的，所述观察区实验水槽11采用玻璃材质制成，在底部与侧平面均布置有二维坐标纸，用于精确描述射流冲击后鱼体在该活动区域内的位置及表现。

进一步的，所述压力罐体18内部充水量不得超过容积的4/5，其顶部密封盖与容器采用弹性密封圈19和螺栓20固定密封，压力罐体18出水口处设有手动射流启闭阀23控制实验射流。

进一步的，所述可拆卸透明实验管7的管径根据实验鱼体8尺寸大小设置了多种不同规格，实验过程中通过接头转换器24实现不同管径的可拆卸透明实验管7与实验总装置的连接，并在可拆卸透明实验管7上标有刻度尺。

进一步的，所述滑动式薄壁溢流堰16的出水口设置有尾水排放通道17。

进一步的，所述可拆卸透明实验管7的管径为鱼体8最大宽度的1.2倍。

实施例2：

采用任意一项所述实验装置的实验方法，它包括以下步骤：

1）松动压力罐体18盖顶处的法兰盘，加水到4/5体积处停止，将压力罐体密封好，关闭球形阀门6，安装好压力表5；

2）将空压机1、压力罐体18、装有实验鱼体的可拆卸透明实验管7、观察区实验水槽11依次连接起来，并检查密闭性是否达标；将高清摄像机12固定在滑动钢架15上，调整拍摄位置，接通电源，检查信号输出是否正常；

3）接通电源，操作数字显示操作台2，向密闭罐体内输送压力，当加压到0.4MPa时，停止加压，数字显示操作台2，维持压力0.4MPa不变；

4）保证信号采集装置正常工作的前提下，搬动出水口球阀23，观察鱼体在高速水流射击下的反应及体貌生理变化，实验人员做好实验记录，包括流速仪数据、鱼体损伤描述、实验前后鱼体状态变化，高清摄像机全程做影像记录；

5）实验观察结束后，关闭出水口球形阀23，取下可拆卸透明实验管7，更换新的实验标本；

6）检查装置是否漏水，信号采集装置是否正常，压力是否稳定，检查无误后，重复上述操作步骤4-5继续进行下一组实验。

本发明的工作过程和工作原理为：

首先，利用扳手将一圈螺栓20从所述压力罐体18上卸除，将上盖从弹性密封圈19处移除，罐体18内部开始充水，不得超过罐体总容积的4/5；

然后，将密闭压力罐体18的螺栓20拧紧，关闭通气阀6，接通空气压缩机1的电源，利用数字显示操作台2对压力罐体进行加压，通过压力表5读出罐体内部的实时压力，例如，当加压到0.4MPa 时，设置数字显示操作台2调节为恒压模式；

拆卸可拆卸透明实验管7，根据鱼体尺寸选择合适管径，其中需要保证可拆卸透明实验管7的管径为鱼体8最大宽度的1.2倍，利用器具将实验用鱼体8放入玻璃管内，通过接头转换器24将玻璃管固定牢靠后，调节薄壁溢流堰板16高度到设计水位处，将观察区实验水槽11水位蓄到设计高度。

接通所有信号采集装置的电源，检查高清摄像机12、声学多普勒流速仪9、计算机13等设备的工作是否正常。

一切准备就绪后，打开压力罐体的止水阀23，在罐体内高压力推动下，流体将呈现高速射流状态，将实验用鱼体8从玻璃管体7内冲入观察区实验水槽11，利用坐标纸精确描述鱼体在高速射流结束后一系列的生理反应，并用高速摄影机记录全过程，记录好下游水位、ADV流速仪读取的数据，至此完成一个标本的实验。

通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本发明的保护范围之内。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (10)

1.一种模拟水轮机流道水流剪切对过机鱼体影响的实验装置，其特征在于：它包括高速射流生成系统、实验区及尾水处理装置和信号采集装置；所述高速射流生成系统与实验区及尾水处理装置相连，所述信号采集装置安装在实验区及尾水处理装置上。

2.根据权利要求1所述的一种模拟水轮机流道水流剪切对过机鱼体影响的实验装置，其特征在于：所述高速射流生成系统包括空气压缩机（1），所述空气压缩机（1）通过压力管路（3）与压力罐体（18）相连通，所述空气压缩机（1）上设置有数字显示操作台（2），通过数字显示操作台（2）控制压力罐体（18）内部压力；所述压力罐体（18）的顶部安装有压力表（5）、通气阀（6）和进气阀（4）；所述压力管路（3）与进气阀（4）相连。

3.根据权利要求1所述的一种模拟水轮机流道水流剪切对过机鱼体影响的实验装置，其特征在于：所述实验区及尾水处理装置包括依次连接的可拆卸透明实验管（7）、观察区试验水槽（11）、滑动式薄壁溢流堰（16）及尾水排放通道（17）；所述可拆卸透明实验管（7）的两端通过接头转换器（24）分别与压力罐体（18）的底部侧壁和观察区试验水槽（11）相连；所述可拆卸透明实验管（7）内部装有实验用鱼体（8）；所述滑动式薄壁溢流堰（16）安装在观察区试验水槽（11）的外部用于调节水深。

4.根据权利要求1所述的一种模拟水轮机流道水流剪切对过机鱼体影响的实验装置，其特征在于：所述信号采集装置包括高清摄像机（12）、声学多普勒流速仪（9）、视频信号转换器和计算机（13）；所述信号采集装置整体架设在滑动钢架（15）上，所述滑动钢架（15）通过支座（14）固定在实验区及尾水处理装置的观察区实验水槽（11）顶部，所述高清摄像机（12）设置在观察区实验水槽（11）液面正上方，并通过视频信号转换器与计算机（13）相连，所述声学多普勒流速仪（9）安装在滑动钢架（15）上，所述声学多普勒流速仪（9）的探头（10）设置在射流出口中心点处，所述声学多普勒流速仪（9）通过数据信号转换器与计算机（13）相连。

5.根据权利要求4所述的一种模拟水轮机流道水流剪切对过机鱼体影响的实验装置，其特征在于：所述高清摄像机（12）至少有两台，分别设在实验区及尾水处理装置的可拆卸透明实验管（7）段和观察区实验水槽（11）段。

6.根据权利要求3或4或5所述的一种模拟水轮机流道水流剪切对过机鱼体影响的实验装置，其特征在于：所述观察区实验水槽（11）采用玻璃材质制成，在底部与侧平面均布置有二维坐标纸，用于精确描述射流冲击后鱼体在该活动区域内的位置及表现。

7.根据权利要求2所述的一种模拟水轮机流道水流剪切对过机鱼体影响的实验装置，其特征在于：所述压力罐体（18）内部充水量不得超过容积的4/5，其顶部密封盖与容器采用弹性密封圈（19）和螺栓（20）固定密封，压力罐体（18）出水口处设有手动射流启闭阀（23）控制实验射流。

8.根据权利要求3所述的一种模拟水轮机流道水流剪切对过机鱼体影响的实验装置，其特征在于：所述可拆卸透明实验管（7）的管径根据实验鱼体（8）尺寸大小设置了多种不同规格，实验过程中通过接头转换器（24）实现不同管径的可拆卸透明实验管（7）与实验总装置的连接，并在可拆卸透明实验管（7）上标有刻度尺。

9.根据权利要求8所述的一种模拟水轮机流道水流剪切对过机鱼体影响的实验装置，其特征在于：所述可拆卸透明实验管（7）的管径为鱼体（8）最大宽度的1.2倍。

10.采用权利要求1-9任意一项所述实验装置的实验方法，其特征在于包括以下步骤：

1）松动压力罐体（18）盖顶处的法兰盘，加水到4/5体积处停止，将压力罐体密封好，关闭球形阀门（6），安装好压力表（5）；

2）将空压机（1）、压力罐体（18）、装有实验鱼体的可拆卸透明实验管（7）、观察区实验水槽（11）依次连接起来，并检查密闭性是否达标；将高清摄像机（12）固定在滑动钢架（15）上，调整拍摄位置，接通电源，检查信号输出是否正常；

3）接通电源，操作数字显示操作台（2），向密闭罐体内输送压力，当加压到0.4MPa时，停止加压，数字显示操作台（2），维持压力0.4MPa不变；

4）保证信号采集装置正常工作的前提下，搬动出水口球阀（23），观察鱼体在高速水流射击下的反应及体貌生理变化，实验人员做好实验记录，包括流速仪数据、鱼体损伤描述、实验前后鱼体状态变化，高清摄像机全程做影像记录；

5）实验观察结束后，关闭出水口球形阀（23），取下可拆卸透明实验管（7），更换新的实验标本；

6）检查装置是否漏水，信号采集装置是否正常，压力是否稳定，检查无误后，重复上述操作步骤4）-5）继续进行下一组实验。