基于潮汐发电贯流式水轮机水动力特性的过鱼伤害机理研究

Fish encounters inevitable injury when passing the normal turbine. Injury and mortality of fish will cause pollution to the water. That will restrict the ecological development of the hydropower project. This subject mainly studies on the tidal tubular turbine by the method of theoretical analysis, three-dimensional numerical simulation and fish injury test. Further study is on the fish injury mechanism due to the hydrodynamic characteristics of tubular turbine. Under the bi-directional power condition, the key structure and passage area causing fish injury are defined which affect fish going to downstream through the turbine passage safely. Reasons such as pressure, velocity and turbulent shear stress will be analyzed for the action process of fish injury. The injury probability under the bi-directional power condition is evaluated based on prediction model of fish injury probability in tidal tubular turbine. The turbine’s ability of immigration fish is also evaluated. Then, the ecological passage of “fish friendly tubular turbine” is constructed to improve survival rate of fish. The research results will supply technology support for the protection of costal fish resources and the remission of influence on the ecological environment by operation of water resources and hydropower engineering.

当鱼类资源通过常规水轮机时会不可避免的受到损伤。受伤和死亡的鱼类会对水域造成污染，从而制约了水电工程的生态发展。本课题拟以潮汐电站贯流式水轮机为研究对象，通过理论分析、数值模拟及鱼体损伤试验相结合的方法对潮汐贯流式水轮机内部水动力学环境对鱼体的伤害机理进行深入研究，明确双向发电工况下造成过机鱼体损伤的关键结构及流道区域后，分析压力、流速、剪切力等因素对鱼体损伤的作用过程。基于潮汐发电贯流式水轮机鱼体受伤概率预测模型评估贯流式水轮机双向发电工况下鱼体损伤概率并进行过鱼能力评判，构建提高鱼类存活率“亲鱼型贯流式水轮机”生态流道方案。研究成果可为沿海鱼类资源保护和缓解水利水电工程运行对生态环境的影响提供技术支持。

为了切实推进生态友好型水电建设及有效缓解水电能源开发与环境保护的矛盾，为鱼类资源保护而进行的鱼类友好型水轮机研究也已经成为焦点。本项目以贯流式水轮机为研究对象，采用数值模拟、理论分析及试验相结合的方法，通过对水轮机转轮叶片数、翼型、轮毂比和导叶与转轮之间距离的优化来减少鱼类通过贯流式水轮机时因机械、压强、剪切力等原因对鱼类造成的伤害。此外，通过试验探究水轮机与鱼类受压强损伤的相关性，定量的分析贯流式水轮机转轮内鱼类遭受各因素损伤的概率。本项目主要工作及成果如下：.1、以贯流式水轮机为研究对象，构建了一种提高鱼类存活率的鱼类友好型贯流式水轮机生态流道，分析了鱼类通过水轮机转轮时，其叶片撞击概率、叶片相对流速、叶片表面静压以及压强梯度变化对鱼类的影响。研究结果表明：当转轮叶片数为3个、叶片相对扭角为25°、轮毂比为0.28、导叶与叶片间的距离为0.65D1时，该鱼类友好型贯流式水轮机效率为85.60%，叶片相对流速最大值为11.323m/s，叶片表面静压最小值为-112.571kPa，压强梯度最大值为6626.9Pa，鱼类在通过该水轮机时遭受损伤的可能性最小。并且通过离散项计算方法，得到了鱼类与优化后的鱼类友好型贯流式水轮机撞击发生位置及对鱼类产生损伤的影响。.2、设计并建立了一套压强损伤机理试验装置，实现了鱼类经过水轮机过程中压力变化情况的高精度仿真，从而评估各种机型水轮机对鱼类的损伤情况；完成了各种压力变化情况对鱼的损伤机理及阈值，从而形成鱼类友好型水轮机的设计准则。试验结果表明：正压状态下加压至最大压强0.68MPa时，对鱼损伤不明显；随着压强阈值的降低，受损伤和死亡的试验鱼越多，负压状态下降压至压强-0.015MPa时，鱼类受到损伤，下降至-0.075MPa时，鱼类全部死亡。因此鱼类在通过贯流式水轮机区时，负压区比正压区更易造成鱼类的损伤。.3、以贯流式水轮机为研究对象，建立了一种鱼类损伤率预测模型，研究了不同工况下贯流式水轮机转轮内部鱼类受损概率。研究结果表明：叶片撞击概率随着流量的升高而下降，鱼类遭受压强损伤概率随着流量的升高呈增大趋势，鱼类遭受压强梯度损伤概率随着流量的升高呈先增大后减小趋势，鱼类遭受剪切力损伤概率随着流量的升高呈增大趋势；对比相同工况下鱼类遭受各机理损伤的概率发现，鱼类受转轮叶片撞击而伤亡的概率远高于其他因素的致损概率。