[发明专利]一种测量鱼类受水轮机流道空泡损伤的实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量鱼类受水环境损伤的实验装置，具体涉及一种测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置。

背景技术

水轮机是水利水电工程中将水能转换成电能的重要能量转换设备，其性能决定着水利水电工程的经济效益。然而洄游性鱼类在穿过水轮机过坝或被误吸入水轮机时往往遭受到严重伤害，对于普通水轮机鱼类通过水轮机的死亡率超过30%。鱼类通过水轮机时可能遭受的伤害机理为机械、压力、剪切和空蚀四种原因：机械损害指鱼类通过水轮机流道时与流道内水轮机元件或水流中的物体相撞击、摩擦导致鱼体受到伤害；压力损害指鱼类通过水轮机流道中压力突变区域所遭受的伤害；剪切损害指水轮机过流流道中靠近固体边界附近出现较大的剪切应力，对水流中的鱼体产生伤害；空蚀损害指由于水轮机过流流道内发生水体空蚀，空蚀使流道内水体产生大量空泡，空泡溃灭过程使其附近形成高压冲击波或高速微射流，对通过此区域的鱼体产生伤害。

为提高水轮机的生态效益，有效保护河道内鱼类资源，水轮机在设计和运行过程中，应该充分考虑其对鱼类的损伤问题，对鱼体通过水轮机流道遭受的损伤因素及损伤阈值进行测量，具体包括鱼类损伤综合因素研究及其各项主要损伤因素的分类研究（如压力变化梯度、水流剪切力、空泡效应等），最终得到鱼类安全通过水轮机流道的压力变化梯度、速度梯度、空蚀数等阈值，为环保型水轮机的设计和运行提供参考。

对水轮机各项综合因素作用的研究包括模型试验和真机试验的方法，对各项主要损伤因素的分类研究则一般采用人工模拟试验方法，即人为模拟水轮机内空化、压力梯度、负压变化和速度梯度等现象，观察每种效应对鱼的损伤情况。例如，V.Frenkel等将鱼体绑定在U形槽内，利用超声波装置产生空化泡，观察空化泡形成和破裂过程对鱼表皮及组织的损伤情况。然而此装置仅从生物学上探讨鱼体表皮组织受空泡的影响，不能模拟鱼体在周围水体中因空泡生成和溃灭引起的损伤。由于鱼体在水轮机内部对损伤有一定自动回避性，而V.Frenkel提出的固定鱼体的试验装置不能模拟水轮机流道空泡对鱼类的损伤。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能较好的模拟水轮机流道动水负压空化环境下，水体空化产生大量空泡的局部水流环境，得出水轮机对流道内鱼体产生空泡损伤的空蚀数阈值,测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置。

技术方案：本发明所述的测量鱼类受水轮机流道水体空泡损伤的实验装置，包括密闭水箱、封闭水循环系统和信号采集装置；

所述密闭水箱中充入水和实验鱼体；所述密闭水箱与可调节所述密闭水箱内真空度的真空泵、真空泵启动电机连接；所述密闭水箱上设置有空气阀；

所述封闭水循环系统包括依次连接的吸水管路、离心水泵、压水管路和隔鱼网筛；所述吸水管路的进水口端和所述压水管路的出水口端均设置在所述密封水箱内构成水循环；所述压水管路的出水口与所述吸水管路的进水口之间通过所述隔鱼网筛连接，阻止密闭水箱内实验鱼体进入管道；所述压水管路的出水口处为渐缩管，出水口端面直径D₂与压水管路直径D的比值小于1/3，使得水流在压水管路出口处以高速水流的形式淹没出流，在负压环境下，水体空化，形成空泡；

所述信号采集装置包括水下高速摄像机、压力传感器、放大电路、A/D数模转换卡和计算机；所述水下高速摄像机设置在密闭水箱内水下水箱内壁上，用于记录实验鱼体的状态和损伤情况；所述压力传感器分别设置在隔鱼网筛上靠近压水管路出水口与吸水管路进水口处，所述压力传感器通过放大电路和A/D数模转换卡将信号输入计算机。

通过真空泵、离心水泵及封闭水循环系统使放置实验鱼体的密闭水箱内形成含有大量空泡的动水紊流环境，水流通过水泵压水管路锥形出口形成高速水流喷入密闭水箱，并通过设置在密闭水箱底部的吸水管路入口流出，水体的循环、水箱内的负压环境及高速入流致使水流进入密闭水箱后在负压动水环境中形成大量空泡，空泡在水体的紊动效应下不断产生和溃灭，由此在空泡附近形成高压冲击波或高速微射流，可能对水体中的实验鱼体产生空泡损伤。工作时，启动离心水泵，通过吸水管路自密闭水箱底部吸入流量并将流量压入压水管路并在密闭水箱内排出，使密闭水箱内水体保持动水紊流状态；关闭密闭水箱顶部空气阀，启动真空泵降低密闭水箱内压力P_k，使其P_k≤2.4kPa(水常温下空化压力)；通过密闭水箱的透明性和设置的水下高速摄像机观察和记录实验鱼体在空泡水流环境下的状态和损伤情况。