一種模擬水輪機流道水流剪切對過機魚體影響的實驗裝置及方法與流程

2024-01-23 06:33:15 2

本發明屬於魚類實驗裝置領域，具體涉及一種模擬水輪機流道水流剪切對過機魚體影響的實驗裝置及方法。

背景技術：

水輪機是水利水電工程中將水能轉換成電能的重要能量轉換設備，其性能決定著水利水電工程的經濟效益。然而洄遊性魚類在穿過水輪機過壩或被誤吸入水輪機時往往遭受到嚴重傷害，對於普通水輪機魚類通過水輪機的死亡率超過30%。魚類通過水輪機時可能遭受的傷害機理為機械、壓力、剪切和空蝕四種原因：機械損害指魚類通過水輪機流道時與流道內水輪機元件或水流中的物體相撞擊、摩擦導致魚體受到傷害；壓力損害指魚類通過水輪機流道中壓力突變區域所遭受的傷害；剪切損害指水輪機過流流道中的高速水流對魚體表面進行剪切應力的破壞產生傷害；空蝕損害指由於水輪機過流流道內發生水體空蝕，空蝕使流道內水體產生大量空泡，空泡潰滅過程使其附近形成高壓衝擊波或高速微射流，對通過此區域的魚體產生傷害。

為提高水輪機的生態效益，有效保護河道內魚類資源，水輪機在設計和運行過程中，應該充分考慮其對魚類的損傷問題，對魚體通過水輪機流道遭受的損傷因素及損傷閾值進行測量，具體包括魚類損傷綜合因素研究及其各項主要損傷因素的分類研究（如壓力變化梯度、水流剪切力、空泡效應等），最終得到魚類安全通過水輪機流道的壓力變化梯度、速度梯度、空蝕數等閾值，為環保型水輪機的設計和運行提供參考。

對水輪機各項綜合因素作用的研究包括模型試驗和真機試驗的方法，對各項主要損傷因素的分類研究則一般採用人工模擬試驗方法，即人為模擬水輪機內空化、壓力梯度、負壓變化和速度梯度等現象，觀察每種效應對魚的損傷情況。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種能較好的模擬水輪機流道內高速射流剪切應力對魚體影響的實驗裝置及方法，從而得到魚體受剪切應力損傷的流速閾值，並觀察魚體在這一水動力因子下的各種反應，為進一步科學研究提供視頻影像資料。

為了解決上述技術問題，本發明提出以下技術方案：一種模擬水輪機流道水流剪切對過機魚體影響的實驗裝置，它包括高速射流生成系統、實驗區及尾水處理裝置和信號採集裝置；所述高速射流生成系統與實驗區及尾水處理裝置相連，所述信號採集裝置安裝在實驗區及尾水處理裝置上。

所述高速射流生成系統包括空氣壓縮機，所述空氣壓縮機通過壓力管路與壓力罐體相連通，所述空氣壓縮機上設置有數字顯示操作臺，通過數字顯示操作臺控制壓力罐體內部壓力；所述壓力罐體的頂部安裝有壓力表、通氣閥和進氣閥；所述壓力管路與進氣閥相連。

所述實驗區及尾水處理裝置包括依次連接的可拆卸透明實驗管、觀察區試驗水槽、滑動式薄壁溢流堰及尾水排放通道；所述可拆卸透明實驗管的兩端通過接頭轉換器分別與壓力罐體的底部側壁和觀察區試驗水槽相連；所述可拆卸透明實驗管內部裝有實驗用魚體；所述滑動式薄壁溢流堰安裝在觀察區試驗水槽的外部用於調節水深。

所述信號採集裝置包括高清攝像機、聲學都卜勒流速儀、視頻信號轉換器和計算機；所述信號採集裝置整體架設在滑動鋼架上，所述滑動鋼架通過支座固定在實驗區及尾水處理裝置的觀察區實驗水槽頂部，所述高清攝像機設置在觀察區實驗水槽液面正上方，並通過視頻信號轉換器與計算機相連，所述聲學都卜勒流速儀安裝在滑動鋼架上，所述聲學都卜勒流速儀的探頭設置在射流出口中心點處，所述聲學都卜勒流速儀通過數據信號轉換器與計算機相連。

所述高清攝像機至少有兩臺，分別設在實驗區及尾水處理裝置的可拆卸透明實驗管段和觀察區實驗水槽段。

所述觀察區實驗水槽採用玻璃材質製成，在底部與側平面均布置有二維坐標紙，用於精確描述射流衝擊後魚體在該活動區域內的位置及表現。

所述壓力罐體內部充水量不得超過容積的4/5，其頂部密封蓋與容器採用彈性密封圈和螺栓固定密封，壓力罐體出水口處設有手動射流啟閉閥控制實驗射流。

所述可拆卸透明實驗管的管徑根據實驗魚體尺寸大小設置了多種不同規格，實驗過程中通過接頭轉換器實現不同管徑的可拆卸透明實驗管與實驗總裝置的連接，並在可拆卸透明實驗管上標有刻度尺。

所述滑動式薄壁溢流堰的出水口設置有尾水排放通道。

所述可拆卸透明實驗管的管徑為魚體最大寬度的1.2倍。

採用任意一項所述實驗裝置的實驗方法，它包括以下步驟：

1）鬆動壓力罐體蓋頂處的法蘭盤，加水到4/5體積處停止，將壓力罐體密封好，關閉球形閥門，安裝好壓力表；

2）將空壓機、壓力罐體、裝有實驗魚體的可拆卸透明實驗管、觀察區實驗水槽依次連接起來，並檢查密閉性是否達標；將高清攝像機固定在滑動鋼架上，調整拍攝位置，接通電源，檢查信號輸出是否正常；

3）接通電源，操作數字顯示操作臺，向密閉罐體內輸送壓力，當加壓到0.4mpa時，停止加壓，數字顯示操作臺，維持壓力0.4mpa不變；

4）保證信號採集裝置正常工作的前提下，搬動出水口球閥，觀察魚體在高速水流射擊下的反應及體貌生理變化，實驗人員做好實驗記錄，包括流速儀數據、魚體損傷描述、實驗前後魚體狀態變化，高清攝像機全程做影像記錄；

5）實驗觀察結束後，關閉出水口球形閥，取下可拆卸透明實驗管，更換新的實驗標本；

6）檢查裝置是否漏水，信號採集裝置是否正常，壓力是否穩定，檢查無誤後，重複上述操作步驟4）-5）繼續進行下一組實驗。

本發明有如下有益效果：

1、通過人為模擬水輪機內空化、壓力梯度、負壓變化和速度梯度等現象，觀察每種效應對魚的損傷情況，最終得到魚類安全通過水輪機流道的壓力變化梯度、速度梯度、空蝕數等閾值，為環保型水輪機的設計和運行提供參考。

2、本實驗裝置旨在利用簡單的結構、低廉的造價和方便的操作，儘可能地對水輪機流道內高速射流剪切應力對魚體影響做精確模擬。

3、通過空氣壓縮機上的數字顯示操控臺實現對壓力罐體加壓、恆壓等操作的控制；壓力罐體頂蓋處設有壓力表用以實時讀取罐體內部壓力數值，同時設有通氣閥門實現減壓排氣等功能。

4、調節滑動式薄壁溢流堰到所需高度，能夠實現觀察區實驗水槽水位穩定在實驗要求位置，多餘尾水將通過尾水排放通道棄掉。

5、通過信號採集裝置實現對實驗魚體實驗情況的實時捕捉。

6、通過密封蓋上裝有壓力表方便實時讀取罐體內部壓力數值，壓力罐體出水口處設有手動射流啟閉閥控制實驗射流。

7、管徑根據實驗魚體尺寸大小設置了多種不同規格，實驗過程中通過接頭轉換器實現不同管徑的可拆卸透明實驗管與實驗總裝置的連接以及可拆卸透明實驗管的拆卸，可拆卸透明實驗管上標有刻度尺，方便魚體尺寸數據的讀取。

8、觀察區實驗水槽採用玻璃材質製成，在底部與側平面均布置有二維坐標紙，用於精確描述射流衝擊後魚體在該活動區域內的位置及表現。

9、通過調節滑動鋼架與流速儀間的相對位置，將探頭固定在射流出口中心點處。經過數據信號轉換器處理後的數據可在計算機上讀取實時流速與平均流速，為模型律定提供關鍵數據。

10、通過至少兩臺高速攝像機，分別架設在可拆卸透明實驗管段和觀察區實驗水槽段。由於在高速水體衝擊下，魚體被迫快速移動，因此要利用高清攝像機全程進行影像捕捉。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

圖1是本發明的整體結構示意圖。

圖中：空氣壓縮機1、數字顯示操作臺2、壓力管路3、進氣閥4、壓力表5、通氣閥6、可拆卸透明實驗管7、魚體8、聲學都卜勒流速儀9、探頭10、觀察區實驗水槽11、高清攝像機12、計算機13、高清攝像機12、視頻信號轉換器和計算機13、支座14、滑動鋼架15、滑動式薄壁溢流堰16、尾水排放通道17、壓力罐體18、彈性密封圈19、螺栓20、手動射流啟閉閥23、接頭轉換器24。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實施方式做進一步的說明。

實施例1：

如圖1，一種模擬水輪機流道水流剪切對過機魚體影響的實驗裝置，它包括高速射流生成系統、實驗區及尾水處理裝置和信號採集裝置；所述高速射流生成系統與實驗區及尾水處理裝置相連，所述信號採集裝置安裝在實驗區及尾水處理裝置上。

進一步的，所述高速射流生成系統包括空氣壓縮機1，所述空氣壓縮機1通過壓力管路3與壓力罐體18相連通，所述空氣壓縮機1上設置有數字顯示操作臺2，通過數字顯示操作臺2控制壓力罐體18內部壓力；所述壓力罐體18的頂部安裝有壓力表5、通氣閥6和進氣閥4；所述壓力管路3與進氣閥4相連。工作過程中，可通過空氣壓縮機1上的數字顯示操控臺2實現對壓力罐體18加壓，其壓力控制精度最小單位為0.02mpa、恆壓等操作的控制；壓力罐體18頂蓋處設有壓力表5用以實時讀取罐體內部壓力數值，同時設有通氣閥門6實現減壓排氣等功能。

進一步的，所述實驗區及尾水處理裝置包括依次連接的可拆卸透明實驗管7、觀察區試驗水槽11、滑動式薄壁溢流堰16及尾水排放通道17；所述可拆卸透明實驗管7的兩端通過接頭轉換器24分別與壓力罐體18的底部側壁和觀察區試驗水槽11相連；所述可拆卸透明實驗管7內部裝有實驗用魚體8；所述滑動式薄壁溢流堰16安裝在觀察區試驗水槽11的外部用於調節水深。為實現觀察區實驗水槽水位穩定在實驗要求位置，可調節滑動式薄壁溢流堰16到所需高度；多餘尾水將通過尾水排放通道17棄掉。

進一步的，所述信號採集裝置包括高清攝像機12、聲學都卜勒流速儀9、視頻信號轉換器和計算機13；所述信號採集裝置整體架設在滑動鋼架15上，所述滑動鋼架15通過支座14固定在實驗區及尾水處理裝置的觀察區實驗水槽11頂部，所述高清攝像機12設置在觀察區實驗水槽11液面正上方，並通過視頻信號轉換器與計算機13相連，所述聲學都卜勒流速儀9安裝在滑動鋼架15上，所述聲學都卜勒流速儀9的探頭10設置在射流出口中心點處，所述聲學都卜勒流速儀9通過數據信號轉換器與計算機13相連。通過高清攝像機12對實驗魚體實驗情況實時捕捉。經過數據信號轉換器處理後的數據可在計算機13上讀取實時流速與平均流速，為模型律定提供關鍵數據。

進一步的，所述高清攝像機12至少有兩臺，分別設在實驗區及尾水處理裝置的可拆卸透明實驗管7段和觀察區實驗水槽11段。由於在高速水體衝擊下，魚體被迫快速移動，因此要利用高清攝像機全程進行影像捕捉。

進一步的，所述觀察區實驗水槽11採用玻璃材質製成，在底部與側平面均布置有二維坐標紙，用於精確描述射流衝擊後魚體在該活動區域內的位置及表現。

進一步的，所述壓力罐體18內部充水量不得超過容積的4/5，其頂部密封蓋與容器採用彈性密封圈19和螺栓20固定密封，壓力罐體18出水口處設有手動射流啟閉閥23控制實驗射流。

進一步的，所述可拆卸透明實驗管7的管徑根據實驗魚體8尺寸大小設置了多種不同規格，實驗過程中通過接頭轉換器24實現不同管徑的可拆卸透明實驗管7與實驗總裝置的連接，並在可拆卸透明實驗管7上標有刻度尺。

進一步的，所述滑動式薄壁溢流堰16的出水口設置有尾水排放通道17。

進一步的，所述可拆卸透明實驗管7的管徑為魚體8最大寬度的1.2倍。

實施例2：

採用任意一項所述實驗裝置的實驗方法，它包括以下步驟：

1）鬆動壓力罐體18蓋頂處的法蘭盤，加水到4/5體積處停止，將壓力罐體密封好，關閉球形閥門6，安裝好壓力表5；

2）將空壓機1、壓力罐體18、裝有實驗魚體的可拆卸透明實驗管7、觀察區實驗水槽11依次連接起來，並檢查密閉性是否達標；將高清攝像機12固定在滑動鋼架15上，調整拍攝位置，接通電源，檢查信號輸出是否正常；

3）接通電源，操作數字顯示操作臺2，向密閉罐體內輸送壓力，當加壓到0.4mpa時，停止加壓，數字顯示操作臺2，維持壓力0.4mpa不變；

4）保證信號採集裝置正常工作的前提下，搬動出水口球閥23，觀察魚體在高速水流射擊下的反應及體貌生理變化，實驗人員做好實驗記錄，包括流速儀數據、魚體損傷描述、實驗前後魚體狀態變化，高清攝像機全程做影像記錄；

5）實驗觀察結束後，關閉出水口球形閥23，取下可拆卸透明實驗管7，更換新的實驗標本；

6）檢查裝置是否漏水，信號採集裝置是否正常，壓力是否穩定，檢查無誤後，重複上述操作步驟4-5繼續進行下一組實驗。

本發明的工作過程和工作原理為：

首先，利用扳手將一圈螺栓20從所述壓力罐體18上卸除，將上蓋從彈性密封圈19處移除，罐體18內部開始充水，不得超過罐體總容積的4/5；

然後，將密閉壓力罐體18的螺栓20擰緊，關閉通氣閥6，接通空氣壓縮機1的電源，利用數字顯示操作臺2對壓力罐體進行加壓，通過壓力表5讀出罐體內部的實時壓力，例如，當加壓到0.4mpa時，設置數字顯示操作臺2調節為恆壓模式；

拆卸可拆卸透明實驗管7，根據魚體尺寸選擇合適管徑，其中需要保證可拆卸透明實驗管7的管徑為魚體8最大寬度的1.2倍，利用器具將實驗用魚體8放入玻璃管內，通過接頭轉換器24將玻璃管固定牢靠後，調節薄壁溢流堰板16高度到設計水位處，將觀察區實驗水槽11水位蓄到設計高度。

接通所有信號採集裝置的電源，檢查高清攝像機12、聲學都卜勒流速儀9、計算機13等設備的工作是否正常。

一切準備就緒後，打開壓力罐體的止水閥23，在罐體內高壓力推動下，流體將呈現高速射流狀態，將實驗用魚體8從玻璃管體7內衝入觀察區實驗水槽11，利用坐標紙精確描述魚體在高速射流結束後一系列的生理反應，並用高速攝影機記錄全過程，記錄好下遊水位、adv流速儀讀取的數據，至此完成一個標本的實驗。

通過上述的說明內容，本領域技術人員完全可以在不偏離本項發明技術思想的範圍內，進行多樣的變更以及修改都在本發明的保護範圍之內。本發明的未盡事宜，屬於本領域技術人員的公知常識。