Page 104 - 水利学报2021年第52卷第6期

吴玉林等 ［16-17］ 采用实验方法人工模拟水力机械内压强变化过程，通过观察、解剖分析负压状态下
压强变化过程对鲤鱼和草鱼的损伤类型，发现负压状态下压强梯度对鱼的生存构成威胁，鱼鳔受
损，在肝、肾等处有出血点，得到了压强梯度对鱼类影响的安全阈值。王煜和李成 ［18-20］ 研究了水轮机
转轮叶片数及泄水锥尺寸对草鱼存活率的影响，并对家鱼幼鱼对水轮机流道水力剪切响应进行了实验研
究，结果表明四种家鱼幼鱼在受到流速应变率大于或等于 2179 m/（s/m）的射流冲击时，均出现不同程度
的损伤，损伤程度随流速应变率的增大而加强。朱国俊等 ［21］ 对鱼类通过混流式水轮机转轮时受压强
及剪切损伤的概率进行了分析，发现在大流量工况下，鱼类受最低压强和高压强梯度损伤的概率更
大，在小流量工况下则是压强梯度损伤概率相对较高。
已有的研究成果表明机械结构和水动力学特性是影响鱼类通过水轮机时受伤程度和存活率的主
要原因，但目前对贯流式水轮机内部水动力学特性与鱼类的损伤关系尚未进行深入研究。本文首先
对高压损伤、低压损伤、快速降压损伤等可能对鱼造成损伤的过程进行试验研究，确定损伤及致死
阈值。然后基于得出的阈值，采用 CFD 模拟方法对鱼类下行通过贯流式水轮机进行全流道非定常计
算，对压强、压强梯度造成的鱼体损伤进行分析，以此揭示鱼类通过贯流式水轮机的损伤机理和影
响规律。

2 试验研究

2.1 试验装置 本研究基于水轮机过鱼压强损伤机理
试验装置，如图 1，模拟鱼类通过水力机械时压强变
G1 G3
化，通过调节压强变化阈值及变化速度，实现压强的
G2
可控调节。将试验用鱼放置于试验设备中，观察鱼的
T3
活动特性，在试验结束后统计损伤情况并进行分析。 真空泵 T1 T2 空气
T1 是与真空泵相连通的真空储气罐，T2 是观察 压缩机
试验罐，T3 是与空气压缩机相连通的高压储气罐。三
图 1 水轮机过鱼压强损伤机理试验装置
个压力罐通过管路连通，分别连接了真空表、压力
表，用于观察各项设备调控及运行是否正常，同时准确测量并记录试验过程中的压强变化。其中高
压储气罐压力等级为 0.8 MPa，压力表量程为 0 至 1.6 MPa，真空储气罐真空表量程为-0.1 至 0 MPa，
观察储气罐压力表量程为-0.1 至 0.9 MPa，精度均为 1.6 级。试验观察罐 T2 内部装水，并且设有观察
窗，罐口通过螺栓和密封圈压紧，以便反复拆卸，用于试验前后将鱼放入和取出。
2.2 试验方案 本次试验选用鲫鱼作为试验鱼。试验前，测量鱼体长 100～120 mm，并在实验室环

境下喂养 8 h，使其充分适应人工环境，去除生命活力不旺盛个体，然后进行试验。实验室水池养殖
环境：水温 20 ~ 22 ℃，水中平均氧溶解量约 0.0008%，pH 值为 7。
本次试验进行了高压损伤阈值测定和低压阈值测定，高压和低压阈值测定时分别进行 3 种工况方
案的测试，每组 10 条试验鱼，每组进行 5 次反复试验。具体方案如表 1 和表 2 所示。

表 1 高压损伤阈值测定工况
序号 压强阈值 P/MPa 加压时间 t 1/s 加压速率 V/（kPa/s） 保持时间 t 2/min
第 1 组 0.25 10.54 23.72 2
第 2 组 0.40 22.72 17.61 2
第 3 组 0.68 50.28 13.52 2

表 2 低压损伤阈值测定工况
序号 压强阈值 P/MPa 加压时间 t 1/s 加压速率 V/（kPa/s） 保持时间 t 2/min
第 4 组 -0.015 5.01 2.99 2
第 5 组 -0.05 10.09 4.96 2
第 6 组 -0.075 18.22 4.12 2
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