軸流式水輪機流道內壓力分布對幼魚影響研究

李　成　王　煜

(三峽大學 水利與環境學院， 湖北 宜昌　443002)

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軸流式水輪機流道內壓力分布對幼魚影響研究

李成王煜

(三峽大學 水利與環境學院， 湖北 宜昌443002)

摘要：大壩建設阻隔了洄游性魚類的洄游通道，對魚類的生長繁殖帶來影響．魚類通過水輪機流道下行過壩面臨各種損傷威脅，設計對魚類損傷最小的親魚型水輪機是目前解決魚類安全過壩問題的關鍵措施之一．本文在構建軸流式水輪機全流道數值模型及典型魚類壓力適合閾值的基礎上，運用水輪機典型工況下流道壓力分布數值模擬結果對過機魚體進行損傷分析．研究結果表明，設計工況下，軸流式水輪機轉輪至尾水管直錐段區域有較大的壓力突變，轉輪自葉片進口至葉片出口呈現負向壓力梯度狀態；葉片出口至尾水管直錐段區域呈現正向壓力梯度狀態．根據內河流域特有魚種壓力損傷閾值得出轉輪至尾水管直錐段區域是魚體通過軸流式水輪機下行受壓力損傷的主要區域，其研究成果可為有利于魚類下行的水輪機流道的優化設計提供借鑒．

關鍵詞：水輪機；壓力梯度；CFD數值模擬；洄游性魚類

大壩的修建使原有連續的河流生態系統被分隔為不連續的環境單元，造成了生態景觀的破碎，阻隔了魚類的洄游通道，這對于完成生活史過程中需要大范圍遷移的洄游性魚類往往是毀滅性的，對在局部水域內能完成生活史的魚類，則可能影響不同水域群體間遺傳交流[1]．為緩解水電發展與魚類保護的矛盾，各國規劃大壩和堤堰建設同時需要提出合理的魚類保護方案[2]．魚類通過水輪機流道下行過壩是一種較為經濟的魚類下行措施，然而水輪機流道復雜的流道環境對通過其下行的魚類又帶來了巨大的威脅．深入研究魚體通過水輪機下行時可能受到的各種脅迫機理，優化水輪機流道水流環境，增加水輪機過魚能力是目前親魚型水輪機研究的關鍵．

文獻[3]指出通過水輪機流道下行的魚類可能受到損傷機理主要分為壓力、空蝕、剪切力和機械4種原因，本文主要針對水輪機流道壓力特性對魚體的影響展開研究．反擊式水輪機復雜的流道致使其內部水流壓力及流速都存在較大的梯度變化，從水輪機流道進口到出口，壓力先增至最大，然后在轉輪區域快速減至負壓，接著再上升最后趨于大氣壓[4]．魚體通過水輪機流道下行時都會遭受不同程度的壓力及壓力梯度損傷，主要損傷表現為眼球向外凸出，魚鰓的破裂，由血管爆裂而引起的內出血，鰭、腮、器官、脈管出現的栓塞等[5]．太平洋西北國家實驗室學者對魚類在不同情況下發生的不同程度氣壓損傷現象做了綜合性的實驗，得出由氣壓造成魚類損傷的主要原因是快速的壓力降低，同時當水輪機流道內最低氣壓50.5 kPa提高1倍時，因水輪機流道內氣壓變化而導致的下行魚類的死亡率將會降低，所以將研發的“親魚型”水輪機的最低氣壓設計標準定為了1個標準大氣壓[6]，但沒有詳細定量分析水輪機流道壓力梯度對魚類的損傷關系，對我國內河流域特殊魚類也沒有相應的研究成果．國內學者在魚類通過水輪機流道下行方面的研究較歐美國家晚，至21世紀初，我國部分學者才開始進行相關內容的研究．邵奇、李海峰等[7-8]利用空氣壓縮機和真空泵在試驗容器中模擬復雜的壓力變化過程，并統計鯉魚、鯽魚，草魚等不同魚種經歷壓力變化過程后的損傷實驗數據，通過比較實驗結果得出，負壓狀態下的壓力變化會對魚類的生存構成威脅．然而研究沒有結合水輪機流道特性進行具體分析，未能明確水輪機流道對下行魚體形成主要壓力或壓力梯度損傷的區域．此外趙亞萍，廖偉麗等[9]研究了水輪機過流部件壓力分布對水輪機運行效率的影響，卻沒有針對流道內壓力分布對幼魚的影響進行研究．

本文借助CFD數值模擬方法[10]對軸流式水輪機全流道進行高精度數值模擬，提取水輪機流道內壓力的三維空間分布，結合我國內河流域特有洄游性魚種對壓力梯度的適合閾值，對魚體通過軸流式水輪機下行可能遭受的壓力損傷進行深入研究．該研究成果可為有利于魚類下行的水輪機流道的優化設計提供基礎．

1水輪機流道水動力特性數值模擬

1.1研究對象

軸流式水輪機是我國水電廠(站)應用較為廣泛的機型，其數量僅次于混流式水輪機，我國長江流域主干流上第一座水電站葛洲壩電廠就采用了21臺軸流式水輪機，較混流式水輪機更寬廣的流道和較低的應用水頭使得大型軸流式水輪機更適合作為大壩上游幼魚下行過壩的通道，文獻[11]通過實驗證實魚類通過軸流式水輪機下行過壩的存活率要遠高于混流式水輪機，因此軸流式水輪機是幼魚下行過壩的首選機型．

本文以軸流定槳式水輪機為研究對象，選用型號為ZD510的水輪機，其主要參數為：轉輪直徑D=180 cm，固定導葉個數為12、活動導葉個數為24、葉片個數為4．本文選取在水輪機設計工況運行條件下進行數值模擬計算，其中主要工況參數為：設計水頭10.5 m，流量16.9 m3/s，轉速250 r/min．

1.2研究方法

1.2.1研究區域

本文對包括蝸殼區域、座環區域、活動導葉區域、轉輪區域以及尾水管區域在內的全流道進行CFD數值模擬，研究區域如圖1所示．各個區域之間的交接面采用Interface連接．

圖1　ZD510-LH-180水輪機

1.2.2數學模型

1)軸流式水輪機內部流動是以水為介質的、復雜的三維流動，可以視為不可壓縮流動．水輪機內部流動基本方程為

其中，u、v和w表示速度矢量u在x、y和z方向的分量，ρ表示流體密度；p表示流體微元體上的壓力；u是動力粘度，Su、Sv和Sw表示動量守恒方程中的廣義源項．

2)壓力速度耦合方法．本文中的壓力速度耦合方法采用SIMPLEC方法進行．

3)方程離散方法．本文對上述方程采用有限體積法進行離散．其中，動量方程的擴散項采取中心差分格式，對流項采取二階迎風差分格式．

4)紊流模型．采用Spalart-Allmaras模型進行內部紊流計算．

1.2.3網格剖分及數值計算的無關性檢查

本文計算域的網格剖分采用四面體非結構性網格，剖分情況見表1．

表1　水輪機各部件節點數及單元數

本文將軸流式水輪機三維模型劃分為3種不同的網格單元數量，并對其分別進行全流道內的數值計算．根據對不同方案數值模擬計算結果的比較(見表2)，最終確定數值計算時所采用的網格單元數．

表2　不同網格數量數值模擬結果對比

從表2中可見，3種方案數值模擬結果差別不大，特別是網格數量超過330萬之后，裝置計算結果差別微小，網格數量小于250萬結果存在相對較大的差別，故可認為當網格總數大于330萬時，正確利用FLUENT軟件計算得到的結果受網格數量的影響很小，可忽略不計；3種網格數量的數值模擬結果對比整體差別不大，在合理可接受范圍之內．

兼顧計算機計算能力和計算時間，對于該軸流式水輪機模型，網格單元劃分數量控制280萬到330萬之間就可以保證數值模擬過程合理，結果準確．

1.2.4邊界條件

本文以壓力管道進口斷面作為整個計算域的進口，尾水管出口斷面為計算域出口．邊界條件為：進口采用總壓進口條件，進口總壓為57.29 kPa，速度方向假設垂直于壓力管道進口面，出口采用壓力出口條件，假設固體壁面光滑，轉輪部分采用多重參考系模型(MRF)，轉輪轉速為-26.18 rad/s，當各個參數的殘差都下降到小于10-5時，即認為計算已經收斂并同時終止計算．

2計算結果及分析

設計工況下，水輪機蝸殼區域，座環區域及活動導葉區域壓力分布如圖2所示．

圖2　蝸殼、座環、活動導葉區域壓力分布圖

從蝸殼、座環、活動導葉區域壓力分布圖2可以看出：蝸殼及座環，活動導葉區域的壓力都為正壓，比較3個區域的壓力分布數據得到：水輪機自蝸殼到活動導葉區域最大壓強為76 946.29 Pa．設計工況下轉輪葉片正面壓力分布及背面壓力分布如圖3所示．

圖3　轉輪區域葉片正面(圖左)及背面(圖右)壓力分布圖

葉片靜壓分布表現出水流對轉輪的沖擊效果，從轉輪葉片正面及背面壓力分布圖可以看出：正面存在局部的低壓區，同時，背面上的壓力從進口到出口出現大面積的負壓分布狀態．尾水管區域壓力分布圖如圖4所示．可以看出負壓較大區域處于尾水管直錐段，水流在肘管中由于轉彎受到離心力的作用，使得壓力的分布很不均勻；取尾水管區域壓力數據可以得到：整個尾水管區域最大壓強為7 119.256 Pa，最小壓強為-205 348 Pa．

圖4　尾水管區域壓力分布圖

3軸流式水輪機流道對幼魚影響分析

3.1魚類對壓力及壓力梯度適宜性閾值

我國學者邵奇，李海峰等將草魚，鯽魚，鯉魚等作為實驗對象人工模擬水力機械內壓力變化對魚類的影響過程，得出結論是在正壓狀態下，壓力梯度都不會對魚體造成損傷，而在負壓狀態下，不同的壓力梯度都可對魚體造成“損傷”．而該“損傷”分為可恢復損傷和不可恢復損傷，并且將在負壓狀態下，壓力上升過程中的最大壓力梯度小于15 kPa/s，壓力下降的過程中的最大壓力梯度小于50 kPa/s的情況作為新型環保型的水輪機流道內的最大壓力梯度的參考標準，否則當大于該參考標準，會由于過大的壓力梯度造成魚鰾的機能很難恢復正常，之后魚可能會死亡．本文將不可恢復損傷情況作為魚種的損傷情況看待，將新型環保型水輪機內最大壓力梯度參考值作為損傷閾值．

上述實驗對象中，草魚屬于“四大家魚”中的一種，一般喜棲居于江河、湖泊等水域的中、下層和近岸多水草區域，具河湖洄游習性；鯽魚是中國常見淡水魚，生活在水草叢生的湖泊沿岸水域和淺水河灣；鯉魚屬大型淡水魚種之一，分布范圍廣，江河、湖泊、水庫、溝塘，到處都有它的蹤跡,是我國淡水魚中產量最高的魚種．這3種魚類都屬于我國內河流域常見魚類，而本文也是針對于我國內河流域常見魚類，因此，本文在此基礎上，借用上述實驗結論，展開軸流式水輪機流道內壓力對幼魚影響分析．

3.2軸流式水輪機流道內壓力對幼魚影響分析

根據文獻[4]中介紹的典型魚體游動路徑的方法，從水輪機流道蝸殼進口斷面到尾水管出口斷面取一條水流質點跡線，以水流質點跡線模擬幼魚通過水輪機流道區域，并以水流質點在流道各個位置受到壓強數值模擬魚體可能遭受的壓力環境．如圖5所示水流質點通過軸流式水輪機流道各區域所受壓強分布圖．

圖5　水流質點通過水輪機流道所受壓強分布圖

圖5中實線表示水輪機流道平均壓力值，虛線表示魚體通過水輪機流道典型路徑，從圖中及該跡線壓強分布數據中可以得出：只有轉輪及尾水管區域會出現負壓，而轉輪區域壓降占整個流道壓降的比例最大．設定蝸殼進口斷面至尾水管出口斷面水平方向投影的長度為水平總長度L，本文實例中L為11.678 m，設定頂蓋至尾水管底板軸向投影的高度為軸向總高度H，本文實例中H為4.926 m，在離蝸殼進口斷面的水平投影距離為0.308L處，離頂蓋的軸向投影距離為0.255H處壓強為0，軸向向下距離壓強為0處0.090H位置，水流質點沿軸向向下的最小速度大小為3.68 m/s，運動時間遠遠小于0.5 s，壓力下降過程中壓力梯度大于50 kPa/s，即該區域負壓狀態下壓力下降過程中壓力梯度大于損傷閾值，對通過水輪機的魚類造成損傷概率極大；在轉輪區域最小壓強處下方和在尾水管中，隨著水體的流動，負壓狀態壓強處于上升過程，在離蝸殼進口斷面的水平投影距離為0.319L處，離頂蓋的軸向投影距離為0.345H處壓強最小，為-25 782.6 Pa，從轉輪區域最小壓強處到離蝸殼進口斷面的水平投影距離為0.352L，離頂蓋的軸向投影距離為0.676H處，壓強升高了18 021.6 Pa，軸向投影方向流動0.331H，這一段水流質點沿軸向向下的最小速度大小為1.469 m/s，平均運動時間小于1.126 s，壓力梯度大于15 kPa/s，即該區域負壓狀態下壓力上升過程中壓力梯度大于損傷閾值，對通過水輪機的魚類造成損傷概率極大．

自轉輪區域葉片進口至尾水管直錐段區域，負壓開始先下降后上升，主要因為水流在轉輪進口對翼形進行繞流時，由于翼形頭部彎曲產生的離心力，使葉片背面水流發生脫流現象而導致壓力急劇下降，在葉片正面則形成壓力上升．以后在水流沿葉道流動的過程中，由于水流不斷地對葉片做功，使葉道中的壓力越來越低．且設有尾水管后，轉輪出口處形成了壓力降低，出現了真空現象，即出現負壓下降．隨著水流流向尾水管直錐段，橫斷面積越來越大，水流速度減小，壓力上升，即出現負壓上升．

同時在轉輪區域由于壓力突然下降，產生較大負壓，葉片翼形背面出口處產生了翼形汽蝕，也極有可能傷及魚體，但本文暫不考慮壓力及壓力梯度因素以外的其它因素對魚體造成的傷害．

3.3軸流式水輪機流道的優化設計初探

根據上述分析結果，為降低魚類通過軸流定槳式水輪機流道下行遭受的壓力損傷概率，針對水輪機流道壓力分布特性進行優化設計：1)適當減小輪緣間隙，減小因擾動產生的局部低壓區；2)適當增大葉片各截面出水邊翹角，同時減小葉片輪緣斷面的葉柵稠密度；3)進一步將葉片最大厚度向葉片進水邊移動，以改善葉片翼型最低壓力區對魚可能造成的壓力損傷；4)將葉片軸線位置向進水邊移動，同時降低葉片安放高度，以減小在大沖角條件下壓力降幅度；5)采取在尾水管直錐段進口處增加設置補氣裝置，運用低壓補氣方法降低尾水管進口處的真空值．

4結論

1)本文通過對軸流式水輪機進行數值精細模擬得到了流場三維壓力分布特性，結果顯示，只有轉輪區域及尾水管區域出現負壓，且自轉輪區域葉片進口至尾水管直錐段區域，負壓開始先下降后上升．

2)本文結合主要江河經濟魚類對流場壓力特性的響應關系，得出從離蝸殼進口斷面的水平投影距離為水平總長度的0.308倍到0.319倍，離頂蓋的軸向投影距離為軸向總高度的0.255倍到0.345倍處，該區域負壓狀態下壓力下降過程中壓力梯度最大且大于損傷閾值，對通過水輪機的魚類造成損傷的概率極大；從離蝸殼進口斷面的水平投影距離為水平總長度的0.319倍到0.352倍，離頂蓋的軸向投影距離為軸向總高度的0.345倍到0.676倍，該區域負壓狀態下壓力上升過程中壓力梯度最大且大于損傷閾值，對通過水輪機的魚類造成損傷的概率極大．

3)本文將從以下五方面對水輪機進行優化改進，以減小幼魚受壓力的損傷影響：①適當減小輪緣間隙；②適當增大葉片各截面出水邊翹角，同時減小葉片輪緣斷面的葉柵稠密度；③進一步將葉片最大厚度向葉片進水邊移動；④降低葉片安放高度，向進水邊移動葉片軸線位置；⑤采取在尾水管直錐段進口處增加設置補氣裝置．

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[責任編輯周文凱]

Effects of Pressure Distribution over Passage of Axial Flow

Hydraulic Turbine on Passing-through Fishes

Li ChengWang Yu

(College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractThe construction of dam blocks the migration route of migratory fish which has influence on the growth of fish. Fish to water turbine passage downward dam face various damage threat. Designing for friendly turbine which produces smallest damage to fish is currently one of the key measures to solve the problem of fish passing the dam safely.Based on the construction of axial flow turbine numerical model and the typical threshold pressure for fish,this paper uses hydraulic turbine passage pressure distribution numerical simulation results under typical working conditions to do fish damage analysis.The study results show that axial flow turbine runner to draft tube straight taper section has bigger pressure mutations, runner area has significant negative pressure gradient state from import to export area and runner exports to draft tube straight taper section presents positive pressure gradient state. Runner to draft tube straight taper section area is the main area where fish to pass axial flow turbine passage downward sufer stress injuries according to the inland river basin endemic species stress damage threshold.This research results can provide reference for the optimization design of the hydraulic turbine passage which is beneficial to fish.

Keywordshydraulic turbine;pressure gradient;CFD numerical simulation;migratory fish

中圖分類號：TV136

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2015)06-0065-05

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.014

通信作者：王煜(1976-)，女，副教授，博士，主要從事大型低水頭軸流式水輪機過魚機理研究．E-mail：wangyuhoney@163.com