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水 利 学 报

2021 年 6 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 6 期

文章编号：0559-9350（2021）06-0731-08

贯流式水轮机内部压强变化对鱼体损伤分析研究

杨春霞 ，徐顶娥 ，祝双桔 ，赵 雷 ，于 安 ，何香凝 3
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（1. 河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100；2. 重庆航运建设发展（集团）有限公司，重庆 401121；
3. 中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）
摘要：鱼类在通过贯流式水轮机流道时会遭遇撞击、压强变化等引发的损伤。本文基于试验和 CFD 分析方法探
究了不同工况下贯流式水轮机全流道压强变化对鱼的损伤机理及阈值。通过试验实现鱼经过水轮机过程中压强变
化情况的高精度仿真，研究鱼类在贯流式水轮机内部受压强及压强梯度的影响。试验结果表明：正压状态下加压
至最大压强 0.68 MPa 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-0.015 MPa 时，鱼类受到损伤，下降至-0.075 MPa 时，鱼类全部死亡。通过数值计算分析得出：相对压强
小于-15 kPa 的区域主要位于叶片背面靠近进口边的位置，且当贯流式水轮机在不同导叶开度下运行时，相对压
强小于-15 kPa 的区域随着流量的增加呈增多趋势，鱼类遭受压强损伤概率随着流量的升高呈增大趋势。当水轮
机在最小水头的大流量工况时，鱼类遭受压强损伤概率达到了最大值 6.45%。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。当水轮机在最大水头的导叶开度为 60 mm 时，鱼类遭受压强梯度损伤概率达到了
最大值 4.61%。
关键词：贯流式水轮机；压强阈值；鱼体损伤概率；压强梯度；数值模拟
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中图分类号：TK733 .3 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200691

1 研究背景

当鱼类资源通过水轮机时会产生不可避免的损伤和死亡 ［1-2］ ，受伤和死亡的鱼类会对水域造成污
染。随着生态环境保护成为社会关注的热点问题，研究者们开始聚焦于鱼类友好型水轮机的研究。
1995 年，美国陆军工程师兵团成立水轮机流道鱼类存活率研究小组。小组专家们通过分析，将鱼类
通过水轮机流道下行时可能受到的伤害机理分为机械、压强、剪切力和空蚀四种原因 ［3-4］ 。
美国橡树岭国家实验室 Cada 等 ［5-7］ 主导开展了多项鱼类过机损伤机理研究，发现通过水轮机流道
到达下游的鱼类伤亡类型和程度与鱼类下行路径有很大关系。Neitzel 等 ［8-9］ 通过实验得到了鱼类承受
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剪切速度的安全极限值，最大为 500 s 。美国太平洋西北实验室的 Abernethy 等 ［10-11］ 和 Richmond 等 ［12］
则主要关注流体内部压强梯度大小对鱼类的损伤程度及损伤的生物学机理，Abernethy 开展了一系列
的实验研究压强及压强梯度大小对不同类型鱼类的损伤频率、部位以及严重程度；而 Richmond 则综
合生物性能评价法与 CFD 模拟方法，对大马哈鱼幼鱼游经轴流式水轮机时可能遭受的气压损伤开展
了分析研究。Deng 等 ［13-15］ 使用传感器鱼实测鱼类在通过水轮机流道或溢洪道时的运动参数，分别得
出了传感器鱼在通过水轮机流道和溢洪道时的旋转速度、运动加速度和静压随时间（位置）的变化曲
线，其还采用仿鱼型传感器，对鱼类在通过水轮机恶劣流动环境时所受到的物理作用开展了研究。

收稿日期：2020-09-02；网络首发时间：2021-04-19
网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210416.1749.007.html
基金项目：国家自然科学基金青年项目（51709086）；国家重点研发计划政府间国际科技创新合作专项（2019YEF0105200）；中央
高校基本科研业务费项目（B210202060）
作者简介：杨春霞（1988-），博士，讲师，主要从事生态友好型水力机械优化设计、固液两相流动及海洋能开发利用研究。
E-mail：yangchunxia@hhu.edu.cn
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