轴流式水轮机流道内压力分布对幼鱼影响研究

李　成　王　煜

(三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌　443002)



轴流式水轮机流道内压力分布对幼鱼影响研究

李成王煜

(三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌443002)

摘要：大坝建设阻隔了洄游性鱼类的洄游通道，对鱼类的生长繁殖带来影响．鱼类通过水轮机流道下行过坝面临各种损伤威胁，设计对鱼类损伤最小的亲鱼型水轮机是目前解决鱼类安全过坝问题的关键措施之一．本文在构建轴流式水轮机全流道数值模型及典型鱼类压力适合阈值的基础上，运用水轮机典型工况下流道压力分布数值模拟结果对过机鱼体进行损伤分析．研究结果表明，设计工况下，轴流式水轮机转轮至尾水管直锥段区域有较大的压力突变，转轮自叶片进口至叶片出口呈现负向压力梯度状态；叶片出口至尾水管直锥段区域呈现正向压力梯度状态．根据内河流域特有鱼种压力损伤阈值得出转轮至尾水管直锥段区域是鱼体通过轴流式水轮机下行受压力损伤的主要区域，其研究成果可为有利于鱼类下行的水轮机流道的优化设计提供借鉴．

关键词：水轮机；压力梯度；CFD数值模拟；洄游性鱼类

大坝的修建使原有连续的河流生态系统被分隔为不连续的环境单元，造成了生态景观的破碎，阻隔了鱼类的洄游通道，这对于完成生活史过程中需要大范围迁移的洄游性鱼类往往是毁灭性的，对在局部水域内能完成生活史的鱼类，则可能影响不同水域群体间遗传交流[1]．为缓解水电发展与鱼类保护的矛盾，各国规划大坝和堤堰建设同时需要提出合理的鱼类保护方案[2]．鱼类通过水轮机流道下行过坝是一种较为经济的鱼类下行措施，然而水轮机流道复杂的流道环境对通过其下行的鱼类又带来了巨大的威胁．深入研究鱼体通过水轮机下行时可能受到的各种胁迫机理，优化水轮机流道水流环境，增加水轮机过鱼能力是目前亲鱼型水轮机研究的关键．

文献[3]指出通过水轮机流道下行的鱼类可能受到损伤机理主要分为压力、空蚀、剪切力和机械4种原因，本文主要针对水轮机流道压力特性对鱼体的影响展开研究．反击式水轮机复杂的流道致使其内部水流压力及流速都存在较大的梯度变化，从水轮机流道进口到出口，压力先增至最大，然后在转轮区域快速减至负压，接着再上升最后趋于大气压[4]．鱼体通过水轮机流道下行时都会遭受不同程度的压力及压力梯度损伤，主要损伤表现为眼球向外凸出，鱼鳃的破裂，由血管爆裂而引起的内出血，鳍、腮、器官、脉管出现的栓塞等[5]．太平洋西北国家实验室学者对鱼类在不同情况下发生的不同程度气压损伤现象做了综合性的实验，得出由气压造成鱼类损伤的主要原因是快速的压力降低，同时当水轮机流道内最低气压50.5 kPa提高1倍时，因水轮机流道内气压变化而导致的下行鱼类的死亡率将会降低，所以将研发的“亲鱼型”水轮机的最低气压设计标准定为了1个标准大气压[6]，但没有详细定量分析水轮机流道压力梯度对鱼类的损伤关系，对我国内河流域特殊鱼类也没有相应的研究成果．国内学者在鱼类通过水轮机流道下行方面的研究较欧美国家晚，至21世纪初，我国部分学者才开始进行相关内容的研究．邵奇、李海峰等[7-8]利用空气压缩机和真空泵在试验容器中模拟复杂的压力变化过程，并统计鲤鱼、鲫鱼，草鱼等不同鱼种经历压力变化过程后的损伤实验数据，通过比较实验结果得出，负压状态下的压力变化会对鱼类的生存构成威胁．然而研究没有结合水轮机流道特性进行具体分析，未能明确水轮机流道对下行鱼体形成主要压力或压力梯度损伤的区域．此外赵亚萍，廖伟丽等[9]研究了水轮机过流部件压力分布对水轮机运行效率的影响，却没有针对流道内压力分布对幼鱼的影响进行研究．

本文借助CFD数值模拟方法[10]对轴流式水轮机全流道进行高精度数值模拟，提取水轮机流道内压力的三维空间分布，结合我国内河流域特有洄游性鱼种对压力梯度的适合阈值，对鱼体通过轴流式水轮机下行可能遭受的压力损伤进行深入研究．该研究成果可为有利于鱼类下行的水轮机流道的优化设计提供基础．

1水轮机流道水动力特性数值模拟

1.1研究对象

轴流式水轮机是我国水电厂(站)应用较为广泛的机型，其数量仅次于混流式水轮机，我国长江流域主干流上第一座水电站葛洲坝电厂就采用了21台轴流式水轮机，较混流式水轮机更宽广的流道和较低的应用水头使得大型轴流式水轮机更适合作为大坝上游幼鱼下行过坝的通道，文献[11]通过实验证实鱼类通过轴流式水轮机下行过坝的存活率要远高于混流式水轮机，因此轴流式水轮机是幼鱼下行过坝的首选机型．

本文以轴流定桨式水轮机为研究对象，选用型号为ZD510的水轮机，其主要参数为：转轮直径D=180 cm，固定导叶个数为12、活动导叶个数为24、叶片个数为4．本文选取在水轮机设计工况运行条件下进行数值模拟计算，其中主要工况参数为：设计水头10.5 m，流量16.9 m3/s，转速250 r/min．

1.2研究方法

1.2.1研究区域

本文对包括蜗壳区域、座环区域、活动导叶区域、转轮区域以及尾水管区域在内的全流道进行CFD数值模拟，研究区域如图1所示．各个区域之间的交接面采用Interface连接．

图1　ZD510-LH-180水轮机

1.2.2数学模型

1)轴流式水轮机内部流动是以水为介质的、复杂的三维流动，可以视为不可压缩流动．水轮机内部流动基本方程为

其中，u、v和w表示速度矢量u在x、y和z方向的分量，ρ表示流体密度；p表示流体微元体上的压力；u是动力粘度，Su、Sv和Sw表示动量守恒方程中的广义源项．

2)压力速度耦合方法．本文中的压力速度耦合方法采用SIMPLEC方法进行．

3)方程离散方法．本文对上述方程采用有限体积法进行离散．其中，动量方程的扩散项采取中心差分格式，对流项采取二阶迎风差分格式．

4)紊流模型．采用Spalart-Allmaras模型进行内部紊流计算．

1.2.3网格剖分及数值计算的无关性检查

本文计算域的网格剖分采用四面体非结构性网格，剖分情况见表1．

表1　水轮机各部件节点数及单元数

本文将轴流式水轮机三维模型划分为3种不同的网格单元数量，并对其分别进行全流道内的数值计算．根据对不同方案数值模拟计算结果的比较(见表2)，最终确定数值计算时所采用的网格单元数．

表2　不同网格数量数值模拟结果对比

从表2中可见，3种方案数值模拟结果差别不大，特别是网格数量超过330万之后，装置计算结果差别微小，网格数量小于250万结果存在相对较大的差别，故可认为当网格总数大于330万时，正确利用FLUENT软件计算得到的结果受网格数量的影响很小，可忽略不计；3种网格数量的数值模拟结果对比整体差别不大，在合理可接受范围之内．

兼顾计算机计算能力和计算时间，对于该轴流式水轮机模型，网格单元划分数量控制280万到330万之间就可以保证数值模拟过程合理，结果准确．

1.2.4边界条件

本文以压力管道进口断面作为整个计算域的进口，尾水管出口断面为计算域出口．边界条件为：进口采用总压进口条件，进口总压为57.29 kPa，速度方向假设垂直于压力管道进口面，出口采用压力出口条件，假设固体壁面光滑，转轮部分采用多重参考系模型(MRF)，转轮转速为-26.18 rad/s，当各个参数的残差都下降到小于10-5时，即认为计算已经收敛并同时终止计算．

2计算结果及分析

设计工况下，水轮机蜗壳区域，座环区域及活动导叶区域压力分布如图2所示．

图2　蜗壳、座环、活动导叶区域压力分布图

从蜗壳、座环、活动导叶区域压力分布图2可以看出：蜗壳及座环，活动导叶区域的压力都为正压，比较3个区域的压力分布数据得到：水轮机自蜗壳到活动导叶区域最大压强为76 946.29 Pa．设计工况下转轮叶片正面压力分布及背面压力分布如图3所示．

图3　转轮区域叶片正面(图左)及背面(图右)压力分布图

叶片静压分布表现出水流对转轮的冲击效果，从转轮叶片正面及背面压力分布图可以看出：正面存在局部的低压区，同时，背面上的压力从进口到出口出现大面积的负压分布状态．尾水管区域压力分布图如图4所示．可以看出负压较大区域处于尾水管直锥段，水流在肘管中由于转弯受到离心力的作用，使得压力的分布很不均匀；取尾水管区域压力数据可以得到：整个尾水管区域最大压强为7 119.256 Pa，最小压强为-205 348 Pa．

图4　尾水管区域压力分布图

3轴流式水轮机流道对幼鱼影响分析

3.1鱼类对压力及压力梯度适宜性阈值

我国学者邵奇，李海峰等将草鱼，鲫鱼，鲤鱼等作为实验对象人工模拟水力机械内压力变化对鱼类的影响过程，得出结论是在正压状态下，压力梯度都不会对鱼体造成损伤，而在负压状态下，不同的压力梯度都可对鱼体造成“损伤”．而该“损伤”分为可恢复损伤和不可恢复损伤，并且将在负压状态下，压力上升过程中的最大压力梯度小于15 kPa/s，压力下降的过程中的最大压力梯度小于50 kPa/s的情况作为新型环保型的水轮机流道内的最大压力梯度的参考标准，否则当大于该参考标准，会由于过大的压力梯度造成鱼鳔的机能很难恢复正常，之后鱼可能会死亡．本文将不可恢复损伤情况作为鱼种的损伤情况看待，将新型环保型水轮机内最大压力梯度参考值作为损伤阈值．

上述实验对象中，草鱼属于“四大家鱼”中的一种，一般喜栖居于江河、湖泊等水域的中、下层和近岸多水草区域，具河湖洄游习性；鲫鱼是中国常见淡水鱼，生活在水草丛生的湖泊沿岸水域和浅水河湾；鲤鱼属大型淡水鱼种之一，分布范围广，江河、湖泊、水库、沟塘，到处都有它的踪迹,是我国淡水鱼中产量最高的鱼种．这3种鱼类都属于我国内河流域常见鱼类，而本文也是针对于我国内河流域常见鱼类，因此，本文在此基础上，借用上述实验结论，展开轴流式水轮机流道内压力对幼鱼影响分析．

3.2轴流式水轮机流道内压力对幼鱼影响分析

根据文献[4]中介绍的典型鱼体游动路径的方法，从水轮机流道蜗壳进口断面到尾水管出口断面取一条水流质点迹线，以水流质点迹线模拟幼鱼通过水轮机流道区域，并以水流质点在流道各个位置受到压强数值模拟鱼体可能遭受的压力环境．如图5所示水流质点通过轴流式水轮机流道各区域所受压强分布图．

图5　水流质点通过水轮机流道所受压强分布图

图5中实线表示水轮机流道平均压力值，虚线表示鱼体通过水轮机流道典型路径，从图中及该迹线压强分布数据中可以得出：只有转轮及尾水管区域会出现负压，而转轮区域压降占整个流道压降的比例最大．设定蜗壳进口断面至尾水管出口断面水平方向投影的长度为水平总长度L，本文实例中L为11.678 m，设定顶盖至尾水管底板轴向投影的高度为轴向总高度H，本文实例中H为4.926 m，在离蜗壳进口断面的水平投影距离为0.308L处，离顶盖的轴向投影距离为0.255H处压强为0，轴向向下距离压强为0处0.090H位置，水流质点沿轴向向下的最小速度大小为3.68 m/s，运动时间远远小于0.5 s，压力下降过程中压力梯度大于50 kPa/s，即该区域负压状态下压力下降过程中压力梯度大于损伤阈值，对通过水轮机的鱼类造成损伤概率极大；在转轮区域最小压强处下方和在尾水管中，随着水体的流动，负压状态压强处于上升过程，在离蜗壳进口断面的水平投影距离为0.319L处，离顶盖的轴向投影距离为0.345H处压强最小，为-25 782.6 Pa，从转轮区域最小压强处到离蜗壳进口断面的水平投影距离为0.352L，离顶盖的轴向投影距离为0.676H处，压强升高了18 021.6 Pa，轴向投影方向流动0.331H，这一段水流质点沿轴向向下的最小速度大小为1.469 m/s，平均运动时间小于1.126 s，压力梯度大于15 kPa/s，即该区域负压状态下压力上升过程中压力梯度大于损伤阈值，对通过水轮机的鱼类造成损伤概率极大．

自转轮区域叶片进口至尾水管直锥段区域，负压开始先下降后上升，主要因为水流在转轮进口对翼形进行绕流时，由于翼形头部弯曲产生的离心力，使叶片背面水流发生脱流现象而导致压力急剧下降，在叶片正面则形成压力上升．以后在水流沿叶道流动的过程中，由于水流不断地对叶片做功，使叶道中的压力越来越低．且设有尾水管后，转轮出口处形成了压力降低，出现了真空现象，即出现负压下降．随着水流流向尾水管直锥段，横断面积越来越大，水流速度减小，压力上升，即出现负压上升．

同时在转轮区域由于压力突然下降，产生较大负压，叶片翼形背面出口处产生了翼形汽蚀，也极有可能伤及鱼体，但本文暂不考虑压力及压力梯度因素以外的其它因素对鱼体造成的伤害．

3.3轴流式水轮机流道的优化设计初探

根据上述分析结果，为降低鱼类通过轴流定桨式水轮机流道下行遭受的压力损伤概率，针对水轮机流道压力分布特性进行优化设计：1)适当减小轮缘间隙，减小因扰动产生的局部低压区；2)适当增大叶片各截面出水边翘角，同时减小叶片轮缘断面的叶栅稠密度；3)进一步将叶片最大厚度向叶片进水边移动，以改善叶片翼型最低压力区对鱼可能造成的压力损伤；4)将叶片轴线位置向进水边移动，同时降低叶片安放高度，以减小在大冲角条件下压力降幅度；5)采取在尾水管直锥段进口处增加设置补气装置，运用低压补气方法降低尾水管进口处的真空值．

4结论

1)本文通过对轴流式水轮机进行数值精细模拟得到了流场三维压力分布特性，结果显示，只有转轮区域及尾水管区域出现负压，且自转轮区域叶片进口至尾水管直锥段区域，负压开始先下降后上升．

2)本文结合主要江河经济鱼类对流场压力特性的响应关系，得出从离蜗壳进口断面的水平投影距离为水平总长度的0.308倍到0.319倍，离顶盖的轴向投影距离为轴向总高度的0.255倍到0.345倍处，该区域负压状态下压力下降过程中压力梯度最大且大于损伤阈值，对通过水轮机的鱼类造成损伤的概率极大；从离蜗壳进口断面的水平投影距离为水平总长度的0.319倍到0.352倍，离顶盖的轴向投影距离为轴向总高度的0.345倍到0.676倍，该区域负压状态下压力上升过程中压力梯度最大且大于损伤阈值，对通过水轮机的鱼类造成损伤的概率极大．

3)本文将从以下五方面对水轮机进行优化改进，以减小幼鱼受压力的损伤影响：①适当减小轮缘间隙；②适当增大叶片各截面出水边翘角，同时减小叶片轮缘断面的叶栅稠密度；③进一步将叶片最大厚度向叶片进水边移动；④降低叶片安放高度，向进水边移动叶片轴线位置；⑤采取在尾水管直锥段进口处增加设置补气装置．

参考文献：

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[责任编辑周文凯]

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

中图分类号：TV136

文献标识码：A

文章编号：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，主要从事大型低水头轴流式水轮机过鱼机理研究．E-mail：wangyuhoney@163.com