魚類通過混流式水輪機轉輪時受壓強及剪切損傷的概率分析

朱國俊，吉龍娟，馮建軍，羅興锜

?

魚類通過混流式水輪機轉輪時受壓強及剪切損傷的概率分析

朱國俊，吉龍娟，馮建軍※，羅興锜

（西安理工大學水利水電學院，西安 710048）

魚類在通過混流式水輪機流道時會遭遇最低壓強及壓強梯度引發(fā)的壓強損傷以及剪切應力引發(fā)的剪切損傷。為了辨識混流式轉輪中壓強損傷和剪切損傷的主次關系，進而有針對性的開展混流式轉輪的魚類生態(tài)友好性能優(yōu)化，該文基于計算流體動力學分析方法研究了不同水頭條件下混流式轉輪內超出壓強以及剪切損傷閾值的體積分布規(guī)律，并獲得了不同工況下混流式轉輪內壓強、壓強梯度以及剪切應力引發(fā)魚類受損的概率。結果表明：魚類受壓強及剪切損傷的概率與流量成正相關關系，對于該文分析的混流式轉輪，魚類受最低壓強損傷的概率在最小水頭的最大流量工況下達到最大值9.1%，剪切損傷及高壓強梯度損傷的概率在額定工況下達到最大，分別為0.823%和8.31%。在相同工況下進行3種損傷概率的對比后發(fā)現(xiàn)，在大流量工況下，魚類受最低壓強和高壓強梯度損傷的概率更大，在小流量工況下則是壓強梯度損傷概率相對較高，所以綜合分析結果可知最低壓強和高壓強梯度是開展親魚型混流式轉輪優(yōu)化時需要考慮的主要因素，而剪切應變率則是次要因素。

魚；流量；數值分析；水輪機；混流式轉輪；魚類損傷概率；壓強損傷；剪切應力損傷

0 引 言

目前，水能資源開發(fā)所引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題一直沒有得到有效解決，其中矛盾最突出的一個方面就是水電工程對魚類生態(tài)造成的負面影響，嚴重時甚至導致某些魚類種群瀕臨滅絕[1-4]，進而影響水產漁業(yè)的發(fā)展。水電站中的水輪機設備是引發(fā)魚類損傷的主要根源之一，美國陸軍工程師兵團（united states army corps of engineers, USACE）的研究人員發(fā)現(xiàn)，水輪機誘發(fā)魚類傷亡的機理主要包括機械損傷、壓強損傷、剪切損傷和空化損傷等[5-6]。機械損傷是水力機械直接作用于魚體的損傷，目前可通過確定性概率公式進行計算[7-8]。魚類在水輪機中受壓強及剪切損傷的程度則主要與魚的大小、魚類所承受的壓強梯度及剪切率有關[9-10]，目前仍沒有明確的概率計算公式。

水輪機內較大的壓強梯度和剪切率會導致過機魚類出現(xiàn)魚鰾爆裂、眼球外凸、血管充血破裂、肌肉撕裂等損傷[11-12]，為此，國內外很多學者對過機魚類的壓強、剪切損傷型式及閾值開展了研究。如：Abernethy等[13]開展了一系列的試驗研究后發(fā)現(xiàn)，水輪機流道中的鮭魚在壓強降低率為3.5 MPa/s時并無明顯受傷；Neitzel等[14-15]將多種不同類型的魚類釋放到具有淹沒射流的水槽中以觀察和分析由剪切力以及湍流引起的魚類損傷情況，并以剪切應變率作為指標衡量魚類在水流中所受到的剪切強度，最終獲得了魚類在受到剪切流作用下不發(fā)生明顯損傷的剪切應變率閾值為500 s-1；Guensch等[16]則細化研究了高速射流所引起的魚類損傷型式，并指出高速水流對魚類的強力拖拽作用是魚類體內損傷的主要原因；Normandeaus等[17]綜合計算流體動力學方法和現(xiàn)場試驗觀測以評估水輪機中流體剪切應力對魚類的損傷程度，并指出了大型軸流式水輪機中可能造成魚類死亡的強剪切應力區(qū)域；邵奇等[18]通過試驗研究獲得了鯽魚不受損傷的壓強梯度閾值；李成等[19]則研究了軸流式水輪機轉輪的葉片數、泄水錐結構與過機幼魚所受壓強損傷的相關性。綜觀目前的研究進展可知，確保魚類在水輪機內部不受壓強、剪切損傷的壓強梯度閾值和剪切應變閾值已獲得大量研究并形成了較為成熟的成果，但關于如何綜合這些研究成果量化分析魚類受混流式轉輪誘發(fā)的壓強及剪切損傷的概率仍極為少見。

混流式水輪機轉輪由于其葉柵稠密度大、變工況條件下的渦系時空結構復雜，所以魚類在通過混流式轉輪時可能會受到多種損傷機制的聯(lián)合作用。為了辨識混流式水輪機轉輪誘發(fā)魚類傷亡的主次因素，以便有針對性的開展混流式轉輪的魚類生態(tài)性能優(yōu)化，本文以計算流體動力學分析方法為基礎建立了量化計算混流式轉輪內部魚類受壓強及剪切損傷概率的方法。首先采用計算流體動力學分析方法對混流式水輪機進行全流道計算，然后引用使魚類不發(fā)生損傷的壓強及剪切應變率閾值為指標，分析獲得不同工況下混流式轉輪內部超出損傷閾值的區(qū)域分布規(guī)律及體積大小，并分別統(tǒng)計不同工況下混流式轉輪內部超出壓強閾值及剪切應變閾值的體積占轉輪流道總體積的百分比作為魚類受損傷概率，最后根據統(tǒng)計結果辨識不同工況下使魚類受到損傷的主次因素，同時進一步分析這些因素的致?lián)p概率隨工況變化的規(guī)律，從而為混流式轉輪的魚類生態(tài)性能優(yōu)化提供有價值的參考。

1 水輪機內部流動數值分析

1.1 幾何模型和網格劃分

以某電站安裝的原型混流式水輪機作為研究對象，該水輪機的主要參數為：額定水頭=106 m，最大水頭max=120 m，最小水頭min=73 m，額定流量=104.1 m3/s，額定出力P=100 MW，額定轉速=214.3 r/min，轉輪直徑1=3.5 m，轉輪葉片數為15，活動導葉和固定導葉的數目都為24個，該機組的全流道三維模型如圖1所示。

圖1 水輪機模型

計算域網格劃分是開展數值分析首要步驟，網格劃分也對數值模擬的準確性有重要影響。為提高數值求解的收斂性和準確性，對水輪機全流道采用六面體結構化網格劃分。參照文獻[20]，總網格數以水輪機的水力效率為標準開展網格無關性驗證，驗證結果如圖2a所示。

圖2 網格示意圖及無關性分析

當網格節(jié)點總數為9.56×106時，水力效率的波動小于1‰，滿足水輪機數值計算對網格無關性的要求，所以選擇該節(jié)點數的網格作為最終的網格方案，機組全流道的網格如圖2b和圖2c所示。

1.2 數值計算的邊界條件和可靠性分析

合理的邊界條件對數值計算而言至關重要，在本文的水輪機數值計算中，計算域的進口為蝸殼進口，進口邊界條件設置為質量流量，計算域的出口為尾水管的出口，出口邊界根據尾水管出口的淹沒深度給定靜壓邊界條件，固體壁面設置為無滑移壁面，定常計算時轉動部件與靜止部件間的交界面采用凍結轉子法連接。在N-S方程求解過程中，控制方程中的對流項采用二階差分格式進行離散，并選用水輪機數值模擬中常用的SST湍流模型進行數值模擬計算[21-22]。為驗證數值計算的可靠性，在額定、最大和最小水頭條件下的50%～100%機組額定功率范圍內各選取了6個工況點進行定常計算，工況如表1所示，其中工況R1為水輪機額定工況。

表1 計算工況參數

注：P為水輪機的額定出力。

Note:Prepresented the rated output power of hydroturbine.

該混流式水輪機的模型水力效率已通過圖3所示的水輪機模型試驗臺測試獲得，試驗臺的效率測試綜合誤差在±0.20%范圍內，試驗臺的各項裝置符合IEC 60193和GB/T 15613等規(guī)范對水力機械試驗臺的要求。

將試驗測試所得的水輪機模型水力效率根據國際電工委員會標準IEC 60193[23]進行修正，最后即可獲得原型水輪機在對應工況點下的水力效率試驗值。將獲得的原型水輪機效率試驗值與數值模擬的結果進行對比，結果如圖4所示。

圖3 試驗系統(tǒng)及試驗轉輪圖

圖4 不同水頭下水輪機水力效率模擬值與試驗值對比

從圖4中可以看出，各水頭下水輪機水力效率的模擬值隨流量的變化規(guī)律與試驗值相同。數值模擬得到的水力效率略大于試驗值，其中最大的偏差值為1.98%，出現(xiàn)在最小水頭最小流量工況，即工況L6。數值計算和試驗結果之間的差異是由于數值計算過程中沒有考慮轉輪與機組頂蓋之間、轉輪與機組基礎環(huán)之間的間隙，這些間隙的存在不僅會引起容積泄漏，還會使轉輪上冠、下環(huán)與間隙內部的水流摩擦而產生摩阻力矩[24]，所以數值計算所得水力效率值略高，但總體計算偏差小于2%，表明數值計算結果是可靠的。

2 魚類受壓強及剪切損傷的概率計算方法

在親魚型水輪機的研發(fā)中，本文擬針對的魚類對象是陜西特有的秦嶺細鱗鮭，屬于鮭科魚種。由于秦嶺細鱗鮭屬于國家二級保護野生動物，因此捕捉其開展損傷閾值研究需要申請?zhí)卦S獵捕證，而且捕捉數量也有限制?？紤]到這些復雜因素，在量化分析混流式轉輪誘發(fā)的魚類損傷概率大小時，本文選擇了國外通過試驗研究獲得的鮭類魚種損傷閾值作為參考。

2.1 魚類的壓強及剪切損傷閾值

混流式水輪機轉輪內部流道幾何形狀復雜，水流特性變化迅速，過機魚類在轉輪中將受到壓強及剪切損傷。引發(fā)魚類壓強損傷的主要因素包括壓強梯度和最低壓力值，流體的剪切應變則是導致魚類剪切損傷的主要因素。

壓強梯度和壓強主要致?lián)p的魚類器官是魚鰾，魚類魚鰾的可膨脹體積有限，過快的壓強下降梯度會導致魚鰾的急速膨脹從而引發(fā)魚鰾破裂致?lián)p。此外，即使壓強下降梯度很慢使得魚類魚鰾緩慢膨脹，但最終的目標壓力值如果低于某一閾值的話還是會使魚類的魚鰾過度膨脹甚至破裂從而造成魚類傷亡。根據文獻[12]中太平洋西北國家試驗室的試驗研究成果，使過機鮭類魚種不發(fā)生壓強損傷的最低壓強值為50.66 kPa、最高壓強梯度為3.5 MPa/s，因此本文界定混流式轉輪內部致使魚類受壓強損傷的區(qū)域時也采用這2個閾值作為標準。

流體的剪切變形主要致使魚類本體在強剪切作用下扭曲，一旦魚體的扭轉或扭曲度超出魚體所能承受的極限即致使魚類受傷，而流體的剪切變形程度大小通常通過剪切應變率來衡量，因此剪切應變率可作為分析魚類是否會受到剪切損傷的標準。剪切應變率在流體力學中又稱為角變形率，是表征流體微團剪切變形大小的物理量，其計算公式如式（1）所示。

式中、、分別代表笛卡爾坐標系下、、這3個坐標方向上的速度，m/s；γ、γ、γ則分別代表笛卡爾坐標系下、、這3個平面上的剪切應變率，s-1。

根據文獻[13]、[14]的試驗研究成果，致使鮭類魚種受損傷的剪切應變率閾值為500 s-1，因此本文也選取其作為界定混流式水輪機內使魚類受剪切損傷區(qū)域的標準。

2.2 壓強及剪切損傷概率的計算

魚類在進入混流式水輪機以后必然要經過混流式轉輪以到達下游，因此混流式水輪機內部的魚類通過混流式轉輪的事件概率等于1。在此基礎上，定義魚類通過混流式轉輪時受到壓強及剪切損傷的事件代號如表2所示。

表2 損傷事件代號

則(A)、(B)、(C)代表了魚類受最低壓強、剪切損傷及高壓強梯度損傷的概率，這些概率可保守的按照轉輪流道內部致使魚類受損傷的區(qū)域占轉輪流道總體積的百分比進行計算，計算公式如下式（2）—（4）所示。

式（2）—（4）中，(A)、(B)、(C)分別為魚類受最低壓強、剪切損傷及高壓強梯度損傷的概率；V為混流式轉輪內壓強低于50.66 kPa的區(qū)域所占的體積，m3；V為混流式轉輪內剪切應變率高于500 s-1的區(qū)域所占的體積，m3；V為混流式轉輪內壓強梯度高于3.5 MPa/s的區(qū)域所占的體積，m3；total為混流式轉輪內部過流區(qū)域的總體積，m3。根據數值計算結果提取轉輪流道內部超出損傷閾值的區(qū)域體積后即可根據式（2）—（4）進行損傷概率的計算。

3 計算結果及分析

3.1 魚類受最低壓強的損傷概率分析

在數值計算結果中，以最低壓強的損傷閾值為基準提取了轉輪內部壓強超出壓強損傷閾值的區(qū)域體積分布進行分析。由于各水頭條件下轉輪內壓力超出壓強損傷閾值的體積隨流量變化的趨勢相似，所以圖5中只給出了額定水頭條件下轉輪內壓強超出閾值的體積分布進行分析。

圖5中的部位1為轉輪葉片出水邊，轉輪內壓力超出壓強損傷閾值的體積主要出現(xiàn)在該部位，且隨著流量增加而增大。圖5中的部位2為轉輪上冠泄水錐，在100%額定出力的工況下該部位也出現(xiàn)了超出壓強損傷閾值的體積。

圖5 額定水頭下轉輪內壓強超出閾值的體積分布

為了量化統(tǒng)計流量對魚類受最低壓強損傷概率的影響，圖6給出了根據式（2）計算所得的魚類受最低壓強損傷概率(A)隨流量的變化曲線。

圖6 不同水頭下最低壓強損傷概率P(A)隨流量的變化趨勢

根據圖6可知，在各個水頭下，最低壓強損傷概率(A)的最大值都出現(xiàn)在100%額定出力工況。其中，最小水頭下(A)的最大值等于9.1%，是3個水頭下(A)的最大值。(A)隨流量增加的原因是流量增大使得轉輪內部低壓區(qū)域增加，從而導致魚類在通過轉輪流道時受最低壓強損傷的概率增加，由此可見，流量與魚類受最低壓強損傷概率(A)具有明顯的正相關關系。

3.2 魚類受剪切損傷的概率分析

造成魚類剪切損傷的區(qū)域需要采用剪切應變率進行判定。在轉輪流道中的任何區(qū)域，只要γ、γ及γ中的任意一個超出了損傷閾值都會導致魚類受到剪切損傷。由于各水頭條件下剪切應變率超出損傷閾值的體積隨流量變化的趨勢相似，限于篇幅，在圖7中也只給出了額定水頭條件下轉輪流道內部剪切應變率超出損傷閾值的分布情況。

從圖7中可以看出，剪切應變率超出損傷閾值的區(qū)域基本都集中在部位1（葉片表面）、部位2（轉輪上冠）以及部位3（轉輪下環(huán)）附近。因為當粘性流體繞流固體壁面時，壁面附近的流體由于受壁面以及流體粘性摩擦力的影響必然會產生高速度梯度，進而產生較大的剪切應變率。在轉輪流道內部不出現(xiàn)強烈渦漩的條件下，流道壁面附近的剪切應變率在整個轉輪流場內部的數值最大。圖8給出了根據式（3）計算所得的魚類受剪切損傷概率(B)隨流量的變化曲線。

圖7 額定水頭下轉輪內剪切應變率超出閾值的體積分布

圖8 不同水頭下剪切損傷概率P(B)隨流量的變化趨勢

從圖8的曲線中可以發(fā)現(xiàn)，魚類受剪切損傷的概率(B)隨著流量的增加而提高，該趨勢與最低壓強損傷概率(A)的變化趨勢相同。在所有的計算工況中，(B)的最大值為0.823%，出現(xiàn)在額定水頭下的額定流量工況也即水輪機的額定工況R1。通過對比圖6和圖8中相同工況下的(A)和(B)發(fā)現(xiàn)，在水輪機出力超過70%P的工況M1～M3、R1～R3以及L1～L3，(B)的數值遠遠小于(A)，這表明水輪機在大流量工況下運行時，轉輪流道內部致使魚類受剪切損傷的區(qū)域遠小于使魚類受最低壓強損傷的區(qū)域，即魚類受到最低壓強損傷的概率更大。

3.3 魚類受高壓強梯度損傷的概率分析

致使魚類受損傷的壓強梯度的本質概念是壓強隨時間的變化率，這已在文獻[25]和[26]中獲得說明。對于水輪機內部流場的穩(wěn)態(tài)計算結果，計算流道內部的壓強梯度可以根據文獻[25]和[26]提出的計算方法進行計算，該方法的計算公式如式（5）所示。

式（5）通過間接的方法求解出了水輪機穩(wěn)態(tài)流場內部的壓強梯度，根據該公式對混流式轉輪內部的壓強梯度進行計算，并在數值計算結果中獲取超出壓強梯度損傷閾值的區(qū)域分布。限于篇幅且各水頭下轉輪內超出壓強梯度損傷閾值的區(qū)域分布類似，圖9中只給出了額定水頭下轉輪內超出壓強梯度損傷閾值的區(qū)域分布。

圖9 額定水頭下轉輪內壓強梯度超出閾值的體積分布

從圖9中可以看出，高壓強梯度區(qū)主要集中于部位1（葉片進口邊）和部位2（葉片出口邊）附近，這2處高壓強梯度區(qū)的產生是由于水流進、出轉輪葉片流道時過流面積發(fā)生突變所導致。為了進一步量化對比分析各工況下高壓強梯度導致的魚類損傷概念，按式(4)統(tǒng)計了各工況下(C)的數值，并作出各水頭下(C)隨流量變化的曲線如圖10所示。

綜合比較圖6、圖8和圖10發(fā)現(xiàn)，高壓強梯度引發(fā)的損傷概率(C)隨流量的變化趨勢與前2種損傷概率相同，隨流量增大都呈現(xiàn)提高的趨勢，這表明流量的增大使得轉輪流道內部的高壓強梯度區(qū)域增加。在所有的計算工況中，高壓強梯度引發(fā)的損傷概率(C)的最大值為8.31%，出現(xiàn)在水輪機的額定運行工況R1，其他2個水頭下高壓強梯度引發(fā)的損傷概率的最大值都略小于額定工況下的值。

通過對比圖6、圖8及圖10中相同工況下魚類受最低壓強損傷概率(A)受剪切損傷概率(B)和受高壓強梯度損傷概率(C)可以發(fā)現(xiàn)，在大流量工況下（工況M1～M3、R1～R3以及L1～L3）魚類受最低壓強損傷的概率和受高壓強梯度損傷概率的數值量級相同，兩者都遠高于魚類受剪切損傷概率。在小流量工況（工況M4～M5、R4～R5以及L4～L5）下則是魚類受高壓強梯度的損傷概率最高。

圖10 不同水頭下壓強梯度損傷概率P(C)隨流量變化趨勢

綜上可知，在親魚型混流式轉輪優(yōu)化設計的過程中，最低壓強及壓強梯度是相對較為主要的損傷因素，也是葉片幾何及參數優(yōu)化需要考慮的2個主要方面。此外，混流式轉輪葉片對魚類的機械撞擊也是造成魚類過機損傷的主要原因之一，在文獻[27]中作者已計算獲得了額定水頭下轉輪葉片撞擊所導致的魚類死亡概率，因此以該水頭下的6個工況為例，本文將轉輪內最低壓強及壓強梯度所造成的損傷概率進行對比，如圖11所示。

圖11 損傷概率對比

從圖11中可以看出，額定水頭下轉輪葉片撞擊所造成的魚類死亡率大于轉輪內最低壓強及壓強梯度所造成的魚類傷亡率。額定水頭下魚類撞擊死亡率最高值出現(xiàn)在工況R1，數值為16.85%，是工況R1下最低壓強損傷概率的4.05倍、壓強梯度損傷概率的2.03倍。由此可見，在混流式轉輪內部，轉輪葉片撞擊是造成魚類傷亡的首要影響因素，壓強梯度排第2，轉輪內最低壓強排第3。由此可見，在開展親魚型混流式轉輪的設計及優(yōu)化時，首先需要在滿足能量性能的前提下采用盡可能少的葉片數，以此降低葉片對魚類的撞擊率并提高葉片通道內的整體壓力；然后，以降低轉輪葉片內的最大壓強梯度為目標開展葉片葉型的優(yōu)化，從而最終獲得親魚性能高的混流式轉輪。

4 結 論

本文以計算流體動力學理論為基礎開展了魚類通過混流式轉輪時受壓強及剪切損傷概率的分析，主要結論如下：

1）混流式轉輪內，壓強損傷及剪切損傷的區(qū)域分布各有特點，壓強超出損傷閾值的區(qū)域主要分布于轉輪葉片吸力面出水邊，壓強梯度超出損傷閾值的區(qū)域主要分布于葉片進口邊與出口邊及葉片與下環(huán)交接處，剪切應變率超出損傷閾值的區(qū)域主要分布于轉輪上冠、下環(huán)及葉片的表面。

2）在相同水頭前提下，魚類受最低壓強、剪切損傷及高壓強梯度損傷的概率(A)(B)和(C)都隨著流量的增加而提高，表明這3種損傷概率與流量呈正相關關系。對于本文分析的混流式轉輪，(A)在最小水頭下的最大流量工況達到最大值9.1%，(B)和(C)則在水輪機額定工況下達到最大，分別為0.823%和8.31%。

3）通過相同工況下魚類受最低壓強、剪切損傷及高壓強梯度損傷的概率對比發(fā)現(xiàn)，魚類遭受最低壓強損傷和高壓強梯度損傷的可能性更大，同比而言，剪切損傷發(fā)生的可能性很小，所以在開展親魚型混流式轉輪優(yōu)化時，最低壓強和壓強梯度是需要考慮的主要因素，而剪切應變率是次要因素。

[1] Deng Zhiqun, Mueller R P, Richmond M C, et al. Injury and mortality of juvenile salmon entrained in a submerged jet entering still water[J]. North American Journal of Fisheries Management, 2010, 30(3): 623－628.

[2] Winter H V, Van Densen W L T. Assessing the opportunities for upstream migration of non-salmonid fishes in the weir-regulated River Vecht[J]. Fisheries Management & Ecology, 2010, 8(6): 513－532.

[3] Zigler S J , Dewey M R , Knights B C , et al. Hydrologic and hydraulic factors affecting passage of paddlefish through dams in the upper mississippi river[J]. Transactions of the American Fisheries Society, 2004, 133(1): 160－172.

[4] 易雨君, 王兆印. 大壩對長江流域洄游魚類的影響[J]. 水利水電技術，2009，40(1)：29－33.

Yi Yujun, Wang Zhaoyin. Impact from dam construction on migration fishes in Yangtze River Basin[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2009, 40(1): 29－33. (in Chinese with English abstract)

[5] Odeh M, Sommers G. New design concepts for fish friendly turbines[J]. International Journal on Hydropower & Dams, 2000, 7(3): 64－70.

[6] 楊春霞，鄭源，張玉全，等. 魚類友好型水輪機設計研究綜述[J]. 中國工程科學，2018，20(3)：96－101.

Yang Chunxia, Zheng Yuan, Zhang Yuquan, et al. A review of research on the design of fish-friendly hydraulic turbines[J]. Engineering Sciences, 2018, 20(3): 96－101. (in Chinese with English abstract)

[7] 潘強，張德勝，施衛(wèi)東. 基于葉片撞擊模型的魚友好型軸流泵優(yōu)化設計[J]. 農業(yè)機械學報，2015，46(12)：102－108.

Pan Qiang, Zhang Desheng, Shi Weidong. Optimization design of fish-friendly axial-flow pump based on blade strike model[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(12): 102－108. (in Chinese with English abstract)

[8] 潘強，施衛(wèi)東，張德勝，等. 泵站用軸流泵魚友好型設計及魚類存活率預測[J]. 排灌機械工程學報，2017，35(1)：42－49.

Pan Qiang, Shi Weidong, Zhang Desheng, et al. Axial-flow pump fish-friendly design and prediction of fish survival rate in pumping station[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2017, 35(1): 42－49. (in Chinese with English abstract)

[9] 廖翠林，陸力，李鐵友，等. 魚友型水輪機研究進展及建議[J]. 中國水利水電科學研究院學報，2014，12(4)：414－420.

Liao Cuilin, Lu Li, Li Tieyou, et al. Research progress and suggestion of fish friendly turbine[J]. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2014, 12(4): 414－420. (in Chinese with English abstract)

[10] 王煜，姜德政，戴會超. 對“親魚型水輪機”的思考[J].水電能源科學，2010，28(2)：131－133.

Wang Yu, Jiang Dezheng, Dai Huicaho. Thinking of “fish friendly turbine”[J]. Water Resources And Power, 2010, 28(2): 131－133. (in Chinese with English abstract)

[11] Brown R S, Carlson T J, Welch A E, et al. Assessment of barotrauma from rapid decompression of depth-acclimated juvenile chinook salmon bearing radiotelemetry transmitters[J]. Transactions of the American Fisheries Society, 2009(6): 1285－1301.

[12] Brown R S, Carlson T J, Gingerich A J, et al. Quantifying mortal injury of juvenile chinook salmon exposed to simulated hydro-turbine passage[J].Transactions of the American Fisheries Society, 2012, 141(1): 147－157.

[13] Abernethy C S, Amidan B G, ?ada G F. Simulated passage through a modified Kaplan turbine pressure regime: A supplement to “Laboratory studies of the effects of pressure and dissolved gas supersaturation on turbine passed fish”[J]. European Journal of Operational Research, 2003, 73(1): 1－16.

[14] Neitzel D A, Richmond M C, Dauble D D, et al. Laboratory studies on the effects of shear on fish: Final report[R]. USA: The Pacific Northwest National Laboratory, Richland, 2000.

[15] Neitzel D A, Dauble D D, ?ada G F, et al. Survival estimates for juvenile fish subjected to a laboratory generated shear environment[J]. Transactions of the American Fisheries Society, 2004, 133(2): 447－454.

[16] Guensch G R, Mueller R P, Mckinstry C A, et al. Evaluation of fish-injury mechanisms during exposure to a high-velocity jet[R]. USA: Pacific Northwest National Laboratory, 2002.

[17] Normandeaus I , Skalski J R. Fish survival investigation relative to turbine rehabilitation at Wanapum Dam, Columbia River, Washington[R]. Ephrata, Washington: Report Prepared for Grant County Public Utility District No. 2, 1996.

[18] 邵奇，李海鋒，吳玉林，等. 水力機械內壓力變化梯度對魚類損傷的模擬試驗[J]. 機械工程學報，2002，38(10)：7－12.

Shao Qi, Li Haifeng, Wu Yulin, et al. The experiment of the damage to fishes from the changing of the pressure gradient [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2002, 38(10): 7－12. (in Chinese with English abstract)

[19] 李成，王煜. 水輪機轉輪結構與過機幼魚受壓強損傷相關性研究[J]. 水力發(fā)電學報，2017，36(10)：110－120.

Li Cheng, Wang Yu. Study on correlation between turbine runner structure and pressure injury of juvenile[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2017, 36(10): 110－120. (in Chinese with English abstract)

[20] 羅興锜，李文鋒，馮建軍，等. 貫流式水輪機飛逸過渡過程瞬態(tài)特性CFX二次開發(fā)模擬[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(13)：97－103.

Luo Xingqi, Li Wenfeng, Feng Jianjun, et al. Simulation of runaway transient characteristics of tubular turbine based on CFX secondary development[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(13): 97－103. (in Chinese with English abstract)

[21] 馮建軍，李文鋒，席強，等. 混流式水輪機主軸中心孔補水對尾水管性能的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(3)：66－72.

Feng Jianjun, Li Wenfeng, Xi Qiang, et al. Influence of water admission through main shaft central hole on performance of Francis turbine draft tube[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 66－72. (in Chinese with English abstract)

[22] 鄭小波，翁凱，王玲軍. 葉片尾部形狀對雙向貫流式水輪機性能的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31(6)：76－81.

Zheng Xiaobo, Weng Kai, Wang Lingjun. Effect of blade tail's shape on hydraulic performance of bidirectional bulb turbine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(6):76－81. (in Chinese with English abstract)

[23] Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines model acceptance tests: CEI/IEC 60193:1999 [S].[1991-11]..

[24] 馮建軍，羅興锜，吳廣寬，等. 間隙流動對混流式水輪機效率預測的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31(5)：53－58.

Feng Jianjun, Luo Xingqi, Wu Guangkuan, et al. Influence of clearance flow on efficiency prediction of Francis turbines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(5): 53－58. (in Chinese with English abstract)

[25] Hecker G E, Cook T C. Development and evaluation of a new helical fish-friendly hydroturbine[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2005, 131(10): 835－844.

[26] Cook T C, Hecker G E, Faulkner H B, et al. Development of a more fish tolerant turbine runner, advanced hydropower turbine project[R]. Office of Scientific & Technical Information Technical Reports, 1997.

[27] 朱國俊，吉龍娟，馮建軍，等. 混流式轉輪葉片數對魚類撞擊死亡率的影響[J]. 農業(yè)機械學報，2018，49(8)：153－160.

Zhu Guojun, Ji Longjuan, Feng Jianjun, et al. Effect of blade numbers of francis runners on fish strike mortality[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(8): 153－160. (in Chinese with English abstract)

Probability evaluation of pressure and shear damage for fish passing through francis turbine runner

Zhu Guojun, Ji Longjuan, Feng Jianjun※, Luo Xingqi

(,,710048,)

Hydropower is a major source of renewable, noncarbon-based electrical energy. Although hydropower has many environmental advantages, hydropower dams alter the natural ecohydrological conditions of the rivers and cause significant ecological impact, especially for fish that live in or migrate through impounded river systems. Injury and mortality of fish that pass through hydraulic turbines and other downstream passage routes can result from several mechanisms, such as rapid and extreme pressure changes, shear stress, strike, cavitation, and grinding. For example, a large or fast pressure drop can lead to internal bleeding of fish, rupture of the swim bladder or vapor bubbles in eyes, which will result in direct mortality and reduces the ability to escape predators in the tailrace. Shear stress can causes fish scales flake, muscle tissue tearing, bruising, and even the fish body are cut off. So understanding the biological responses of fish to the conditions of hydraulic turbine is important for designing advanced fish-friendly turbines. Since the injury of fish may be caused by a combination of multiple damage mechanisms, it is necessary to identify primary and secondary damage mechanisms by research. In this paper, the computational fluid dynamic analyze method was adopted to simulate the three dimensional turbulent flow in an francis turbine. The simulation was conducted at different discharge conditions of maximum, rated and minimum head. The rated head of the turbineris 106 m, the maximum headmaxis 120 m and the minimum headminis 73 m. The whole flow passage of the turbine was discretized by hexahedron structured mesh, and the SSTturbulence model was used in the simulations. Then, the fish friendly threshold for pressure, pressure change rate and shear strain rate were used to analyze the volume size and distribution that may lead to the damage of fish. The ratio of the volume exceeding the fish friendly threshold to the total volume of the runner channel was defined as thefish damage probability. Finally, according to the calculation results, the main and secondary mechanisms of fish damage under different conditions were identified.Meanwhile, the law between the probability of fish injury caused by these mechanisms and the working conditions was further analyzed. From the results it can be seen that the volume which the pressure beyond the threshold in runner is mainly distributed at the outlet of the suction side of the runner blade, and the volume which the pressure change rate beyond the threshold is distributed at the leading and trailing edge of the runner blade. Besides, the volume which the shear strain rate beyond the threshold is distributed near the wall of the crown, band and runner blade. The fish damage probability caused by pressure, shear stress and pressure change rate were defined as(A)(B)and(C) respectively in this paper.Based on the results of this paper, the probability(A) reaches the maximum value at the condition L1. And the probability(B)and(C) reach the maximum value at the rated condition R1. The maximum value of(A),(B) and(C) are 9.1%, 0.823% and 8.31% respectively. By comparing the fish damage probability of pressure, pressure change rate and shear stress under different discharge conditions at the same head, it can be concluded that the minimum pressure and the pressure change rate are the two important factors to prevent fish damage. The shear stress is less important than that of them. Therefore, in the process of designing fish friendly francis turbine runner, the pressure in the runner must be raised as much as possible. Meanwhile, the pressure change rate in runner must also be decreased.

fish; discharge; numerical simulation; hydraulic turbine; francis runner; fish damage probability; pressure damage; shear stress damage

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.008

TK733+.3

A

1002-6819(2019)-02-0055-08

2018-08-21

2018-10-28

國家自然科學基金重點項目（51339005）；國家自然科學基金項目（51679195）；陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目（2018JM5102）

朱國俊，講師，研究方向為水力機械優(yōu)化設計理論及魚類生態(tài)友好型水輪機設計。Email：guojun_zhu1984@126.com

馮建軍，教授，研究方向為流體機械流動理論及優(yōu)化設計、流體機械振動與穩(wěn)定性分析。Email：jianjunfeng@xaut.edu.cn

朱國俊，吉龍娟，馮建軍，羅興锜. 魚類通過混流式水輪機轉輪時受壓強及剪切損傷的概率分析[J]. 農業(yè)工程學報，2019，35(2)：55－62. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.008 http://www.tcsae.org

Zhu Guojun, Ji Longjuan, Feng Jianjun, Luo Xingqi. Probability evaluation of pressure and shear damage for fish passing through francis turbine runner[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 55－62. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.008 http://www.tcsae.org