英国观察：鱼类友好的水轮机设计的最新进展
[ 英 ]D.乌帕德亚伊，等
1 项目背景和方法
1.1 研究背景
鱼类一旦进入水轮机，就必须面对几何形状和水流特性的快速改变，这些都有可能对鱼类造成伤害。受伤的程度取决于鱼类的大小、水轮机的类型及其尺寸、转速和运行工况的范围。参考不同的文献，总结出鱼类受伤的 7 个主要原因： 1 ）直接与旋转的转轮叶片相撞。数据表明，死亡率随转轮圆周速度的增加而增加。
2 ）由固定机械部件（通常为活动导叶和固定导叶）引起的擦伤，这种情况变化很大，取决于转速。
3 ）鱼卡在叶片末端与外壳之间受到擦伤。
4 ）鱼类从转轮的高压侧移动到低压侧时，压力急剧变化会损伤其鱼鳔。压力降低时伤害尤甚。
5 ）水力剪切和湍流。剪切力和湍流越大，鱼类受伤的可能越大。水轮机通道中剪切力的最大值出现在转轮附近的狭窄分界线上。
6 ）空化现象，也就是水蒸汽气泡在低压区的形成和突然消失，通常出现在叶片边缘及其背面的尾部。人们发现一些鲑鱼是因为水蒸汽泡消失时的高压冲击而死亡的。
7 ）受污染的水质也可能改变上述物理伤害机制的影响。 1.2 目标和方法
鱼类友好的水轮机工程的主要目的是以计算流体力学（ CFD ）和鱼类伤害预估模型方法，探究现有水轮机对鱼类造成伤害的主要因素，以改进水轮机的水力和机械设计，减少其负面影响。
研究的主要方法是通过 CFD 和鱼类伤害预估模型这样的灵活手段，探索浆式水轮机对鱼类的影响。用这种方法来检验与评估实验室思路，并可以节省实际的物理模型测试验大量花费。该方法反复性更强，更利于设计变更，从而得到更好的结果。 2 设计改进 2.1 改进型水轮机的设计
如前所述，文献综述给出了在小型水轮机中影响鱼类受伤的潜在因素。自确定叶片冲击为造成鱼类伤害的一个主要原因之后，研究的重点就是减小叶片冲击造成的鱼类伤害。
项目小组成员考虑与讨论了几项设计更改，构思了一项新的设计，并用有效的 CFD 方法进行了模拟试验。 CFD 模拟数据结果得出的水轮机的性能与制造商的预期相符，初期分析表明新设计的效率比原有的水轮机设计有了很大提高。 2.2 CFD 模拟
采用 DHPL 虹吸水轮机作为精确的基准 CFD 模拟作为参考模型，来分析、设计、改进以了解其对水力效率的影响。采用 CFD 方法建立虚拟环境测试了几项设计改进并分析了结果。在经过迭代后，选择出最佳改进，压力和应力 / 应变数据从 CFD 模型和水轮机几何数据中输出到 STRIKER 模型中以评估新型水轮机对鱼类的致死率。
在不同的运行条件下进行了一系列 CFD 模拟，以推导新水轮机设计的性能曲线，得出新水轮机的优化运行点。然而，就注意新水轮机的性能曲线是基于水轮机的效率，曲线代表水能转化为电能的效率（包括输电、发电和其他电缆的效率），因此新水轮机的效率略高。
除了评估水轮机的效率， CFD 模拟为水轮机运行的补充分析提供了重要的流量数据；例如，水轮机各部件中的压力和剪应力分布的数据集。压力和剪压力数据可在水轮机各组件的每个细分单元上产生。
这组数据对 STRIKER 模型模拟运行鱼类伤害风险评估来说是很必要的；没有 CFD 方法，在实验室测量压力和剪应力数据就非常信赖于大量投资来购买设备。使用 CFD 后处理在各个水轮机部件中可产生超过十万个压力和剪应力样本数据，颁布于相应的范围；这些数据将作为 STRIKER 模型的输入参数。 2.3 STRIKER 模型
在研究的前几个阶段，虽然已经证明水轮机水力条件的改进可降低由水力不规则（主要是剪切应力和压力通量）引起的鱼类受伤和死亡率的风险，但是，这占整个鱼类受伤的比率很小。 STRIKER 模型促进新型水轮机的设计，极大地减少了鱼类的受伤和致死的几率。 2.4 改进设计的经济分析
我们对水轮机改进设计进行了成本评估，尤其对实施条件的基本进行了分析。我们预计新型水轮机设计的成本将增加约三分之一。然而，由于改进设计后将使鱼类不受伤地通过新型水轮机，新型水轮机不再需要保护鱼类的措施。因此这提高了新型水轮机的成本竞争力。 3 结论
对鱼类通过小型水轮机时受伤情况的研究是一个新的研究领域。 IT 电力和其他合作者进行了这项工程以调查可能由小型水轮机造成的鱼类伤害问题，并在不影响发电效率和明显提高成本的前提下，试图改进水轮机的设计以减少鱼类的受伤致死率。并出版了论文集使公众了解水轮机对鱼类的伤害机理。采用 CFD 分析方法了解水轮机的运行特点并在水流路径的几处位置上计算水流参数，以备随后的 STRIKER 鱼类伤害预估模型采用。 CFD 模拟结果与试验结论相当一致，这使模型的有效性得到了验证，并可将其输出结果输入到 STRIKER 模型中。 STRIKER 模型可计算出原水轮机与改进型水轮机对鱼类的伤害几率。
对水轮机进行了几处改进，在保证水轮机的效率和可承受的成本基础上使鱼类所受伤害最小。作为一种设计工具，广泛采用了 CFD 方法进行优化设计；然而建立 STRIKER 模型，并采用 CFD 计算的数据进行分析。 STRIKER 模型结果表明，新型水轮机设计可显著减少鱼类所受伤害。
CFD 方法和 STRIKER 模型获得的成果显示设计一种保护鱼类的水轮机是可能的，同时在效率和成本上了是可接受的。
