孟 龍，王萬鵬，李鐵友，張建光，王武昌，何 磊，秦 鑫

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

1 引言

在修建攔水壩等水利工程的河流，魚類因?yàn)榧竟?jié)性捕食、洄游等特性，往往需要通過大壩到達(dá)壩下游或者上游，魚類過壩也因此分為上行過壩和下行過壩兩種。目前對(duì)于魚類上行過壩，國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)開發(fā)并投入使用了魚道等設(shè)施來提升過壩成功率，但是魚類下行過壩主要還是通過水輪機(jī)內(nèi)部流道下行。魚類下行過壩時(shí)，會(huì)先后通過壓力鋼管、水輪機(jī)蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管，沿途會(huì)經(jīng)歷壓力逐漸上升、迅速下降再回升，導(dǎo)葉及葉片進(jìn)口撞擊，剪切射流，空化等多種致傷致死源。

近年來國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者對(duì)水輪機(jī)過魚損傷情況進(jìn)行了研究和分析，例如在大壩上游釋放帶有標(biāo)記的魚并在下游進(jìn)行回收，然后分析魚的損傷特性，又或者通過模型機(jī)組對(duì)小魚苗的損傷情況進(jìn)行分析。但是將研究結(jié)果形成通用的對(duì)魚友好設(shè)計(jì)方法，卻進(jìn)展比較緩慢。這是由于水輪機(jī)對(duì)魚的損傷情況與水輪機(jī)的流量、機(jī)型、工況，魚的種類、尺寸等因素密切相關(guān)，水輪機(jī)又往往是高度定制化的產(chǎn)品，不同河流上的魚類也不盡相同，因此不同國(guó)家不同流域上進(jìn)行的水輪機(jī)過魚損傷情況研究很難直接應(yīng)用到另一個(gè)電站。

因此，分析相關(guān)因素對(duì)魚的損傷機(jī)理，找到致傷原因，討論和研究這些致傷物理?xiàng)l件的致傷機(jī)理及致死閾值，才能形成比較通用的結(jié)果，并對(duì)魚友型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供理論支持。根據(jù)致傷致死原因，可以將水輪機(jī)過魚損傷機(jī)理分為壓力損傷機(jī)理、撞擊損傷機(jī)理、剪切射流損傷機(jī)理、空化損傷機(jī)理等。魚在經(jīng)過水輪機(jī)內(nèi)部的短時(shí)間內(nèi)，可能受到一項(xiàng)或多項(xiàng)損傷模式或同時(shí)或先后的作用，但是分析其損傷機(jī)理，并不需要將所有模式和各因素混在一起，可以將各損傷模式、影響因素分開研究，了解各損傷因素的作用機(jī)理及閾值，再分析因素疊加可能形成的影響。

本研究開發(fā)并搭建了一套水輪機(jī)過魚壓力損傷機(jī)理試驗(yàn)裝置，用于模擬魚類通過水力機(jī)械時(shí)壓力變化，通過調(diào)節(jié)壓力變化趨勢(shì)及變化速度，實(shí)現(xiàn)壓力的可控變化，并可將試驗(yàn)用魚置于試驗(yàn)設(shè)備中，觀察魚的活動(dòng)特性，并可以在試驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)計(jì)損傷情況。

2 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

壓力損傷機(jī)理試驗(yàn)的本質(zhì)，是為魚搭建一個(gè)壓力可控可調(diào)的觀察系統(tǒng)，了解魚在不同的壓力環(huán)境下的損傷及死亡規(guī)律。為了能夠?qū)︳~進(jìn)行壓力損傷機(jī)理試驗(yàn)，需要設(shè)計(jì)如圖1所示的壓力調(diào)節(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)。在圖1中，有3個(gè)壓力罐通過管路聯(lián)通，其中T2是觀察試驗(yàn)罐，T1和T3分別是與真空泵連接的真空罐和與空氣壓縮機(jī)連接的高壓儲(chǔ)氣罐。試驗(yàn)觀察罐T2內(nèi)部裝水，并且設(shè)有觀察窗和補(bǔ)光口，罐口通過螺栓和密封圈壓緊，可以反復(fù)拆卸，便于試驗(yàn)前將魚置入和試驗(yàn)后取出。

圖1 壓力損傷機(jī)理試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

真空罐T1，試驗(yàn)觀察罐T2和高壓儲(chǔ)氣罐T3分別連接了真空、壓力真空表和壓力表等，用于試驗(yàn)中觀察各項(xiàng)調(diào)控運(yùn)行是否正常，同時(shí)3個(gè)罐子也都連接了壓力傳感器用于準(zhǔn)確測(cè)量并記錄試驗(yàn)過程中罐內(nèi)壓力變化。

壓力損傷機(jī)理裝置加工完成后的實(shí)際效果如圖2所示。試驗(yàn)觀察罐等罐體選用不銹鋼材料加工，設(shè)計(jì)承壓為1 MPa，壁厚5 mm。試驗(yàn)觀察罐側(cè)面加工有鋼化玻璃觀察窗，為保證罐內(nèi)可視情況，罐頂蓋也加裝鋼化玻璃，可提供補(bǔ)充光源。由于空間限制，壓力儲(chǔ)氣罐放在另一個(gè)房間。為了便于魚的取放，將魚置入試驗(yàn)觀察罐時(shí)，放在寬松的網(wǎng)兜內(nèi)，再將網(wǎng)兜掛于罐口的掛鉤上，這樣不會(huì)影響魚的正常呼吸游動(dòng)，又可以將魚的活動(dòng)范圍大致局限于觀察視角內(nèi)。

要通過該裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)魚經(jīng)過水輪機(jī)下行過程的仿真，則要了解魚進(jìn)入水輪機(jī)后的壓力變化過程。如圖3所示，Brown等學(xué)者[1]通過傳感器魚等方式獲得的魚經(jīng)過水輪機(jī)下行的壓力變化情況。其中藍(lán)色實(shí)線條表示魚從壩前表層水進(jìn)入水輪機(jī)過程中的壓力變化，紅色虛線表示魚從壩前深層水進(jìn)入水輪機(jī)過程中的壓力變化。

圖2 壓力損傷機(jī)理試驗(yàn)裝置

當(dāng)魚進(jìn)入壓力鋼管內(nèi)，魚所在的微小水團(tuán)內(nèi)壓力是逐漸增加的，這個(gè)壓力增長(zhǎng)過程可能持續(xù)60～90 s；當(dāng)魚從轉(zhuǎn)輪進(jìn)口進(jìn)入轉(zhuǎn)輪出口附近，壓力在0.1～0.3 s內(nèi)從最高壓力降到接近空化壓力的最低壓力值；當(dāng)魚通過尾水管進(jìn)入大壩下游，壓力又從極低壓升高到某個(gè)壓力值，然后再降低到接近大氣壓的壓力值。

圖3 魚經(jīng)過軸流水輪機(jī)下行過程壓力變化情況[1]

要實(shí)現(xiàn)對(duì)這一過程的仿真，試驗(yàn)裝置需要具備以下能力：壓力高值和低值能夠達(dá)到或者接近目標(biāo)水輪機(jī)內(nèi)部的高壓值和低壓值，壓力變化速度能夠盡可能接近水輪機(jī)內(nèi)部的真實(shí)變化情況等。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)觀察罐中壓力值的調(diào)控，需要通過相應(yīng)性能的真空泵和空壓機(jī)配合T1和T3完成，此外為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)多個(gè)高壓值，需要合理搭配減壓閥等壓力調(diào)節(jié)設(shè)備。儲(chǔ)氣完成后，T3內(nèi)最低壓力（絕對(duì)壓力）為6 kPa，T1內(nèi)最大壓力為780 kPa。通過配合減壓閥，電動(dòng)閥等調(diào)節(jié)裝置，可以實(shí)現(xiàn)T2內(nèi)部壓力在6～780 kPa范圍內(nèi)的調(diào)控。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)觀察罐中壓力變化速度的調(diào)控，需要通過配備高速電動(dòng)閥、降低T2中空氣量、增大管徑及縮短管線長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)T1和T3對(duì)T2內(nèi)部壓力的快速壓力調(diào)控，通過流量調(diào)節(jié)閥等實(shí)現(xiàn)對(duì)T2內(nèi)部壓力的慢速壓力調(diào)控。

3 試驗(yàn)流程及試驗(yàn)裝置應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)流程簡(jiǎn)介

試驗(yàn)之前，需要確定試驗(yàn)對(duì)象，應(yīng)選擇合適品種，合適尺寸，生命體征良好的魚，在實(shí)驗(yàn)室暫養(yǎng)超過兩周后再進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)開始時(shí)，需要對(duì)T1和T3抽真空或充氣，T2放入適當(dāng)水位的水，將一定數(shù)目的魚通過網(wǎng)兜置入適當(dāng)觀察位置后，擰緊密封蓋螺栓。

試驗(yàn)過程中，如果要實(shí)現(xiàn)T2內(nèi)的壓力逐漸上升到某個(gè)壓力值P1，則首先將高壓儲(chǔ)氣罐T3內(nèi)壓力調(diào)節(jié)到相應(yīng)壓力P1，再將T3與T2之間管路上的流量調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)到相應(yīng)開度（調(diào)壓速度與閥門開度之間的關(guān)系需要事先通過試驗(yàn)測(cè)定），再打開電動(dòng)閥，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)T2內(nèi)壓力的加壓調(diào)控過程。如果緊接著需要完成T2內(nèi)的降壓，則需要先關(guān)閉加壓電動(dòng)閥，再打開降壓電動(dòng)閥，聯(lián)通T2與T1。如果是模擬水輪機(jī)內(nèi)部壓力變化，還需要實(shí)現(xiàn)最后壓力回升的過程，則又是一個(gè)加壓過程，且壓力回升到的壓力值P2低于首次加壓值P1，因此不能直接通過T3對(duì)T2升壓，而需要旁通管路連接減壓調(diào)節(jié)閥，將通過減壓調(diào)節(jié)閥的壓力保持在P2，再對(duì)T2回升壓力。

試驗(yàn)過程中，需要觀察相關(guān)測(cè)表判斷試驗(yàn)的正確性，并且對(duì)壓力等信息進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，用于準(zhǔn)確分析試驗(yàn)結(jié)果；試驗(yàn)時(shí)，需要在觀察窗觀察、拍攝試驗(yàn)觀察罐內(nèi)魚的活動(dòng)特性。

試驗(yàn)之后，需要先關(guān)閉所有與T1和T3聯(lián)通的閥門，再打開T2排壓閥門，觀察壓力真空表，確認(rèn)試驗(yàn)觀察罐T2內(nèi)壓力為大氣壓才可以打開密封蓋，將內(nèi)置的魚取出觀察或者解剖。

3.2 試驗(yàn)裝置在損傷機(jī)理研究方面的應(yīng)用

試驗(yàn)裝置調(diào)試完成后，可以根據(jù)需求完成以下兩種試驗(yàn)：①對(duì)不同比轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)過魚過程中壓力變化情況進(jìn)行仿真，以評(píng)估該機(jī)型壓力變化對(duì)魚的損傷情況；②對(duì)各種損傷原因進(jìn)行模擬試驗(yàn)，確定相應(yīng)物理量及其變化的速度對(duì)魚的致傷和致死閾值。

對(duì)于第一種試驗(yàn)，主要是通過試驗(yàn)或者數(shù)值模擬獲得魚經(jīng)過軸流式水輪機(jī)過程中壓力-時(shí)間變化曲線（如圖3所示），再使用該試驗(yàn)設(shè)備對(duì)壓力-時(shí)間曲線進(jìn)行模擬，即可對(duì)特定水輪機(jī)組進(jìn)行綜合性的對(duì)魚損傷特性評(píng)估。

如圖4所示，為使用壓力損傷機(jī)理試驗(yàn)裝置對(duì)圖3所示壓力變化規(guī)律的模擬。從圖4可以看出，使用設(shè)計(jì)出來的試驗(yàn)裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)以下幾個(gè)階段的模擬：魚進(jìn)入壓力鋼管后的壓力逐漸上升階段；魚從轉(zhuǎn)輪入口到葉片出口處的壓力快速下降階段；魚進(jìn)入尾水管后的壓力回升階段以及進(jìn)入下游后的壓力下降階段。圖4的壓力變化與圖3的變化規(guī)律也比較吻合。這說明設(shè)計(jì)方案具有對(duì)水輪機(jī)過魚壓力損傷情況進(jìn)行仿真性研究的能力。通過這種壓力仿真，可以直接了解設(shè)計(jì)出的或者已經(jīng)投運(yùn)的水輪機(jī)對(duì)過機(jī)魚的損傷情況。

圖4 對(duì)魚經(jīng)過水輪機(jī)下行過程中壓力變化曲線的仿真

除了對(duì)水輪機(jī)內(nèi)部壓力變化進(jìn)行模擬，該裝置也可以用來對(duì)高壓損傷、低壓損傷、快速降壓損傷等可能對(duì)魚造成損傷的過程進(jìn)行試驗(yàn)，用于詳細(xì)分析對(duì)魚造成損傷的物理因素，了解損傷機(jī)理，并確定致傷及致死閾值，也即第二種試驗(yàn)。

如圖5和圖6所示，是利用壓力損傷機(jī)理試驗(yàn)裝置對(duì)降壓區(qū)間進(jìn)行試驗(yàn)的壓力變化曲線。圖5中的壓力-時(shí)間曲線表示將試驗(yàn)觀察罐內(nèi)壓力從大氣壓直接降低到6 kPa，并在低壓區(qū)保持5 s，再回升壓力到大氣壓；而圖6則是從700 kPa降低到6 kPa，也在低壓區(qū)保持5 s后再回升壓力到大氣壓。通過這兩組試驗(yàn)可以用于分析低壓值相同的情況下，降壓區(qū)間（最高壓力值與最低壓力值之差）對(duì)魚的影響。

圖5 降壓區(qū)間試驗(yàn)1壓力-時(shí)間曲線

圖6 降壓區(qū)間試驗(yàn)2壓力-時(shí)間曲線

從這幾幅圖可以看出，壓力損傷機(jī)理試驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)魚經(jīng)過水輪機(jī)內(nèi)部的壓力變化的仿真，對(duì)于高壓值，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)壓力值的穩(wěn)定輸出，對(duì)于低壓值，能夠?qū)崿F(xiàn)T2內(nèi)部壓力接近空化壓力，除此之外還能根據(jù)需求設(shè)定壓力值的穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)以及調(diào)控速度。如圖7所示，為圖6中8.3～9.1 s局部放大圖。從圖7可以看出，通過閥門調(diào)控，能夠?qū)崿F(xiàn)T2內(nèi)壓力呈現(xiàn)700 kPa/0.3 s的降壓速率。

圖7 降壓區(qū)間試驗(yàn)2降壓速度示意圖

通過該壓力損傷機(jī)理試驗(yàn)設(shè)備，還可以對(duì)更多類似的物理值變化情況進(jìn)行對(duì)比性試驗(yàn)和分析，可以了解到更多的魚的受傷機(jī)理。作者通過本試驗(yàn)設(shè)備對(duì)鯽魚進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，介紹了快速降壓過程對(duì)鯽魚的損傷情況，分析了損傷機(jī)理，也通過對(duì)比性試驗(yàn)確定低壓值對(duì)鯽魚的影響大于降壓速率的影響等。相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果見文獻(xiàn)[2-3]。

通過類似的試驗(yàn)，使用壓力損傷機(jī)理試驗(yàn)設(shè)備還能對(duì)高壓損傷機(jī)理、負(fù)壓損失機(jī)理等進(jìn)行分析，也可以對(duì)更多的魚類進(jìn)行試驗(yàn)，獲得壓力損傷的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而形成更全面的水輪機(jī)對(duì)魚友好設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

4 總結(jié)

魚類經(jīng)過水輪機(jī)下行過壩，不可避免會(huì)經(jīng)歷壓力的急劇變化，這也是導(dǎo)致魚類過機(jī)死亡的主要原因。通過設(shè)計(jì)的包含儲(chǔ)氣罐、調(diào)壓閥、流量調(diào)節(jié)閥及電動(dòng)閥等設(shè)備的壓力損傷機(jī)理試驗(yàn)裝置，可以實(shí)現(xiàn)魚經(jīng)過水輪機(jī)過程中的壓力變化情況的高精度仿真，從而能夠研究獲得魚類在水輪機(jī)內(nèi)部的受壓力影響的生理狀況，并評(píng)估相應(yīng)機(jī)型對(duì)過機(jī)魚的壓力致傷及致死情況。也可以完成各種壓力變化情況對(duì)魚的損傷機(jī)理及閾值，從而形成對(duì)魚友好水輪機(jī)的設(shè)置準(zhǔn)則。