Page 105 - 水利学报2021年第52卷第6期

2.3 试验结果及分析 高压损伤阈值测定试验过程中，通过观察窗可看到观察试验罐 T2 内鱼群向上

游动，负压损伤阈值测定试验过程中，通过观察窗可看到观察试验罐 T2 内鱼群向下游动，反应较强
烈。每组试验结束后，将罐中网兜内的鱼取出编号，并在供氧条件下喂养，分别于试验后即时、
12 h、36 h、6 d 进行观察记录，分别记录各组鱼未受损伤、受损伤失去平衡和死亡三种状态。
2.3.1 高压阈值分析 表 3 对高压损伤阈值测定试验进行了分析。通过对试验结果分析可知，正压状
态下加压至最大压强 0.68 MPa 时，仅 1 条鱼死亡，可以判定为试验误差。因此，可认为所有试验鱼在
正压状态下可以保持平衡，状态较好，鱼体损伤不明显。对试样鱼进行解剖观察均正常。分析原因
如下：正压状态下，鱼处于利用自身生存的富氧环境，鱼可以通过鱼鳔及自身调节系统保持压强变
化过程中鳔内外压强平衡。

表 3 高压损伤阈值测定试验分析
试验后即时损伤 试验后 12h 损伤 试验后 36h 损伤 试验后 6d 损伤
组别 压强阈值/
MPa A B C A B C A B C A B C
1 0.25 50 0 0 50 0 0 50 0 0 50 0 0
2 0.40 50 0 0 50 0 0 50 0 0 50 0 0
3 0.68 50 0 0 49 0 1 49 0 1 49 0 1
注：状态 A、B 和 C 分别表示未受损伤、受损伤失去平衡和死亡
2.3.2 低压阈值分析 表 4 对低压损伤阈值测定试验进行了分析。试验结束时，各组试验鱼出现不同
程度的损伤，鱼体无法保持自身平衡，甚至死亡。对试验鱼进行解剖后发现鱼鳔部分或全部受损，
鳔内气体减少。分析原因如下：负压状态下，试验过程中的压强梯度超过鱼鳔的承受能力，使其难
以通过自身膨胀和排气平衡内外压差，从而造成鱼鳔不同程度损伤，使鱼失去平衡，甚至死亡；同
时鱼处于负压缺氧状态。
由表 4 可知，随着压强阈值的降低，受损伤和死亡的试验鱼越多，当压强阈值为-0.015 MPa 时，
试验结束后发现 2 条试验鱼损伤，后死亡；实验完成 6 d 后，有 3 条鱼死亡。当压强阈值为-0.075
MPa 时，试验后发现所有试验鱼均损伤，后全部死亡。
表 4 低压损伤阈值测定试验分析

组 压强阈 试验后即时损伤 试验后 12h 损伤 试验后 36h 损伤 试验后 6d 损伤
别 值/MPa
A B C A B C A B C A B C
4 -0.015 48 2 0 48 0 2 47 0 3 47 0 3
5 -0.05 36 14 0 30 20 0 17 27 6 5 35 10
6 -0.075 0 50 0 0 11 39 0 5 45 0 0 50
注：状态 A、B 和 C 分别表示未受损伤、受损伤失去平衡和死亡
通过上述对高压和低压阈值分析可见，对于本文研究的贯流式水轮机，其水头较低，由于高压
导致的过机鱼体损伤相对较小，主要分析由于负压以及压强梯度造成的过机鱼体损伤。结合试验结
果，采用第 4 组试验的阈值，重点分析不同工况下，转轮内部负压阈值低于-15 kPa 以及转轮内部负
压强梯度大于 3 kPa/s 的区域体积，并由此分析可能造成鱼体损伤的概率。

3 数值模拟方法

3.1 几何模型和网格划分 本文计算采用的贯流式水轮机的三维实体模型如图 2。在三维建模过程

中，将整个水轮机组划分成 4 个部分，分别是进水流道、导叶、转轮、尾水管。该水轮机的基本参数
为 H =4 m，最小水头 H min =3 m，最大水头 H max =5 m，转速 n=200 r/min，额定出力 P =205 kW，转轮叶
r
r
片数 Z=3，导叶数 Z =15，转轮直径 D =1.6 m。
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采用 ICEM CFD 软件对该贯流式水轮机进行了网格划分，由于该模型较为复杂，尤其是转轮部
分，因此在网格划分时采用了自适应性较好的非结构化网格。在网格划分时，忽略了叶片轮缘与转

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