本發(fā)明屬于魚類實(shí)驗(yàn)裝置領(lǐng)域，具體涉及一種模擬水輪機(jī)流道水流剪切對(duì)過機(jī)魚體影響的實(shí)驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

水輪機(jī)是水利水電工程中將水能轉(zhuǎn)換成電能的重要能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，其性能決定著水利水電工程的經(jīng)濟(jì)效益。然而洄游性魚類在穿過水輪機(jī)過壩或被誤吸入水輪機(jī)時(shí)往往遭受到嚴(yán)重傷害，對(duì)于普通水輪機(jī)魚類通過水輪機(jī)的死亡率超過30%。魚類通過水輪機(jī)時(shí)可能遭受的傷害機(jī)理為機(jī)械、壓力、剪切和空蝕四種原因：機(jī)械損害指魚類通過水輪機(jī)流道時(shí)與流道內(nèi)水輪機(jī)元件或水流中的物體相撞擊、摩擦導(dǎo)致魚體受到傷害；壓力損害指魚類通過水輪機(jī)流道中壓力突變區(qū)域所遭受的傷害；剪切損害指水輪機(jī)過流流道中的高速水流對(duì)魚體表面進(jìn)行剪切應(yīng)力的破壞產(chǎn)生傷害；空蝕損害指由于水輪機(jī)過流流道內(nèi)發(fā)生水體空蝕，空蝕使流道內(nèi)水體產(chǎn)生大量空泡，空泡潰滅過程使其附近形成高壓沖擊波或高速微射流，對(duì)通過此區(qū)域的魚體產(chǎn)生傷害。

為提高水輪機(jī)的生態(tài)效益，有效保護(hù)河道內(nèi)魚類資源，水輪機(jī)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，應(yīng)該充分考慮其對(duì)魚類的損傷問題，對(duì)魚體通過水輪機(jī)流道遭受的損傷因素及損傷閾值進(jìn)行測(cè)量，具體包括魚類損傷綜合因素研究及其各項(xiàng)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(yīng)等），最終得到魚類安全通過水輪機(jī)流道的壓力變化梯度、速度梯度、空蝕數(shù)等閾值，為環(huán)保型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

對(duì)水輪機(jī)各項(xiàng)綜合因素作用的研究包括模型試驗(yàn)和真機(jī)試驗(yàn)的方法，對(duì)各項(xiàng)主要損傷因素的分類研究則一般采用人工模擬試驗(yàn)方法，即人為模擬水輪機(jī)內(nèi)空化、壓力梯度、負(fù)壓變化和速度梯度等現(xiàn)象，觀察每種效應(yīng)對(duì)魚的損傷情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能較好的模擬水輪機(jī)流道內(nèi)高速射流剪切應(yīng)力對(duì)魚體影響的實(shí)驗(yàn)裝置及方法，從而得到魚體受剪切應(yīng)力損傷的流速閾值，并觀察魚體在這一水動(dòng)力因子下的各種反應(yīng)，為進(jìn)一步科學(xué)研究提供視頻影像資料。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出以下技術(shù)方案：一種模擬水輪機(jī)流道水流剪切對(duì)過機(jī)魚體影響的實(shí)驗(yàn)裝置，它包括高速射流生成系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)區(qū)及尾水處理裝置和信號(hào)采集裝置；所述高速射流生成系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)區(qū)及尾水處理裝置相連，所述信號(hào)采集裝置安裝在實(shí)驗(yàn)區(qū)及尾水處理裝置上。

所述高速射流生成系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)，所述空氣壓縮機(jī)通過壓力管路與壓力罐體相連通，所述空氣壓縮機(jī)上設(shè)置有數(shù)字顯示操作臺(tái)，通過數(shù)字顯示操作臺(tái)控制壓力罐體內(nèi)部壓力；所述壓力罐體的頂部安裝有壓力表、通氣閥和進(jìn)氣閥；所述壓力管路與進(jìn)氣閥相連。

所述實(shí)驗(yàn)區(qū)及尾水處理裝置包括依次連接的可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管、觀察區(qū)試驗(yàn)水槽、滑動(dòng)式薄壁溢流堰及尾水排放通道；所述可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管的兩端通過接頭轉(zhuǎn)換器分別與壓力罐體的底部側(cè)壁和觀察區(qū)試驗(yàn)水槽相連；所述可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管內(nèi)部裝有實(shí)驗(yàn)用魚體；所述滑動(dòng)式薄壁溢流堰安裝在觀察區(qū)試驗(yàn)水槽的外部用于調(diào)節(jié)水深。

所述信號(hào)采集裝置包括高清攝像機(jī)、聲學(xué)多普勒流速儀、視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)；所述信號(hào)采集裝置整體架設(shè)在滑動(dòng)鋼架上，所述滑動(dòng)鋼架通過支座固定在實(shí)驗(yàn)區(qū)及尾水處理裝置的觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽頂部，所述高清攝像機(jī)設(shè)置在觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽液面正上方，并通過視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連，所述聲學(xué)多普勒流速儀安裝在滑動(dòng)鋼架上，所述聲學(xué)多普勒流速儀的探頭設(shè)置在射流出口中心點(diǎn)處，所述聲學(xué)多普勒流速儀通過數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連。

所述高清攝像機(jī)至少有兩臺(tái)，分別設(shè)在實(shí)驗(yàn)區(qū)及尾水處理裝置的可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管段和觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽段。

所述觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽采用玻璃材質(zhì)制成，在底部與側(cè)平面均布置有二維坐標(biāo)紙，用于精確描述射流沖擊后魚體在該活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的位置及表現(xiàn)。

所述壓力罐體內(nèi)部充水量不得超過容積的4/5，其頂部密封蓋與容器采用彈性密封圈和螺栓固定密封，壓力罐體出水口處設(shè)有手動(dòng)射流啟閉閥控制實(shí)驗(yàn)射流。

所述可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管的管徑根據(jù)實(shí)驗(yàn)魚體尺寸大小設(shè)置了多種不同規(guī)格，實(shí)驗(yàn)過程中通過接頭轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)不同管徑的可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管與實(shí)驗(yàn)總裝置的連接，并在可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管上標(biāo)有刻度尺。

所述滑動(dòng)式薄壁溢流堰的出水口設(shè)置有尾水排放通道。

所述可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管的管徑為魚體最大寬度的1.2倍。

采用任意一項(xiàng)所述實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，它包括以下步驟：

1）松動(dòng)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(guān)閉球形閥門，安裝好壓力表；

2）將空壓機(jī)、壓力罐體、裝有實(shí)驗(yàn)魚體的可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管、觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽依次連接起來，并檢查密閉性是否達(dá)標(biāo)；將高清攝像機(jī)固定在滑動(dòng)鋼架上，調(diào)整拍攝位置，接通電源，檢查信號(hào)輸出是否正常；

3）接通電源，操作數(shù)字顯示操作臺(tái)，向密閉罐體內(nèi)輸送壓力，當(dāng)加壓到0.4mpa時(shí)，停止加壓，數(shù)字顯示操作臺(tái)，維持壓力0.4mpa不變；

4）保證信號(hào)采集裝置正常工作的前提下，搬動(dòng)出水口球閥，觀察魚體在高速水流射擊下的反應(yīng)及體貌生理變化，實(shí)驗(yàn)人員做好實(shí)驗(yàn)記錄，包括流速儀數(shù)據(jù)、魚體損傷描述、實(shí)驗(yàn)前后魚體狀態(tài)變化，高清攝像機(jī)全程做影像記錄；

5）實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)束后，關(guān)閉出水口球形閥，取下可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管，更換新的實(shí)驗(yàn)標(biāo)本；

6）檢查裝置是否漏水，信號(hào)采集裝置是否正常，壓力是否穩(wěn)定，檢查無誤后，重復(fù)上述操作步驟4）-5）繼續(xù)進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

本發(fā)明有如下有益效果：

1、通過人為模擬水輪機(jī)內(nèi)空化、壓力梯度、負(fù)壓變化和速度梯度等現(xiàn)象，觀察每種效應(yīng)對(duì)魚的損傷情況，最終得到魚類安全通過水輪機(jī)流道的壓力變化梯度、速度梯度、空蝕數(shù)等閾值，為環(huán)保型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

2、本實(shí)驗(yàn)裝置旨在利用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、低廉的造價(jià)和方便的操作，盡可能地對(duì)水輪機(jī)流道內(nèi)高速射流剪切應(yīng)力對(duì)魚體影響做精確模擬。

3、通過空氣壓縮機(jī)上的數(shù)字顯示操控臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力罐體加壓、恒壓等操作的控制；壓力罐體頂蓋處設(shè)有壓力表用以實(shí)時(shí)讀取罐體內(nèi)部壓力數(shù)值，同時(shí)設(shè)有通氣閥門實(shí)現(xiàn)減壓排氣等功能。

4、調(diào)節(jié)滑動(dòng)式薄壁溢流堰到所需高度，能夠?qū)崿F(xiàn)觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽水位穩(wěn)定在實(shí)驗(yàn)要求位置，多余尾水將通過尾水排放通道棄掉。

5、通過信號(hào)采集裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)魚體實(shí)驗(yàn)情況的實(shí)時(shí)捕捉。

6、通過密封蓋上裝有壓力表方便實(shí)時(shí)讀取罐體內(nèi)部壓力數(shù)值，壓力罐體出水口處設(shè)有手動(dòng)射流啟閉閥控制實(shí)驗(yàn)射流。

7、管徑根據(jù)實(shí)驗(yàn)魚體尺寸大小設(shè)置了多種不同規(guī)格，實(shí)驗(yàn)過程中通過接頭轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)不同管徑的可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管與實(shí)驗(yàn)總裝置的連接以及可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管的拆卸，可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管上標(biāo)有刻度尺，方便魚體尺寸數(shù)據(jù)的讀取。

8、觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽采用玻璃材質(zhì)制成，在底部與側(cè)平面均布置有二維坐標(biāo)紙，用于精確描述射流沖擊后魚體在該活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的位置及表現(xiàn)。

9、通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)鋼架與流速儀間的相對(duì)位置，將探頭固定在射流出口中心點(diǎn)處。經(jīng)過數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器處理后的數(shù)據(jù)可在計(jì)算機(jī)上讀取實(shí)時(shí)流速與平均流速，為模型律定提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

10、通過至少兩臺(tái)高速攝像機(jī)，分別架設(shè)在可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管段和觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽段。由于在高速水體沖擊下，魚體被迫快速移動(dòng)，因此要利用高清攝像機(jī)全程進(jìn)行影像捕捉。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：空氣壓縮機(jī)1、數(shù)字顯示操作臺(tái)2、壓力管路3、進(jìn)氣閥4、壓力表5、通氣閥6、可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管7、魚體8、聲學(xué)多普勒流速儀9、探頭10、觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽11、高清攝像機(jī)12、計(jì)算機(jī)13、高清攝像機(jī)12、視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)13、支座14、滑動(dòng)鋼架15、滑動(dòng)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(dòng)射流啟閉閥23、接頭轉(zhuǎn)換器24。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做進(jìn)一步的說明。

實(shí)施例1：

如圖1，一種模擬水輪機(jī)流道水流剪切對(duì)過機(jī)魚體影響的實(shí)驗(yàn)裝置，它包括高速射流生成系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)區(qū)及尾水處理裝置和信號(hào)采集裝置；所述高速射流生成系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)區(qū)及尾水處理裝置相連，所述信號(hào)采集裝置安裝在實(shí)驗(yàn)區(qū)及尾水處理裝置上。

進(jìn)一步的，所述高速射流生成系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)1，所述空氣壓縮機(jī)1通過壓力管路3與壓力罐體18相連通，所述空氣壓縮機(jī)1上設(shè)置有數(shù)字顯示操作臺(tái)2，通過數(shù)字顯示操作臺(tái)2控制壓力罐體18內(nèi)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(jìn)氣閥4；所述壓力管路3與進(jìn)氣閥4相連。工作過程中，可通過空氣壓縮機(jī)1上的數(shù)字顯示操控臺(tái)2實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力罐體18加壓，其壓力控制精度最小單位為0.02mpa、恒壓等操作的控制；壓力罐體18頂蓋處設(shè)有壓力表5用以實(shí)時(shí)讀取罐體內(nèi)部壓力數(shù)值，同時(shí)設(shè)有通氣閥門6實(shí)現(xiàn)減壓排氣等功能。

進(jìn)一步的，所述實(shí)驗(yàn)區(qū)及尾水處理裝置包括依次連接的可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管7、觀察區(qū)試驗(yàn)水槽11、滑動(dòng)式薄壁溢流堰16及尾水排放通道17；所述可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管7的兩端通過接頭轉(zhuǎn)換器24分別與壓力罐體18的底部側(cè)壁和觀察區(qū)試驗(yàn)水槽11相連；所述可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管7內(nèi)部裝有實(shí)驗(yàn)用魚體8；所述滑動(dòng)式薄壁溢流堰16安裝在觀察區(qū)試驗(yàn)水槽11的外部用于調(diào)節(jié)水深。為實(shí)現(xiàn)觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽水位穩(wěn)定在實(shí)驗(yàn)要求位置，可調(diào)節(jié)滑動(dòng)式薄壁溢流堰16到所需高度；多余尾水將通過尾水排放通道17棄掉。

進(jìn)一步的，所述信號(hào)采集裝置包括高清攝像機(jī)12、聲學(xué)多普勒流速儀9、視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)13；所述信號(hào)采集裝置整體架設(shè)在滑動(dòng)鋼架15上，所述滑動(dòng)鋼架15通過支座14固定在實(shí)驗(yàn)區(qū)及尾水處理裝置的觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽11頂部，所述高清攝像機(jī)12設(shè)置在觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽11液面正上方，并通過視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)13相連，所述聲學(xué)多普勒流速儀9安裝在滑動(dòng)鋼架15上，所述聲學(xué)多普勒流速儀9的探頭10設(shè)置在射流出口中心點(diǎn)處，所述聲學(xué)多普勒流速儀9通過數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)13相連。通過高清攝像機(jī)12對(duì)實(shí)驗(yàn)魚體實(shí)驗(yàn)情況實(shí)時(shí)捕捉。經(jīng)過數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器處理后的數(shù)據(jù)可在計(jì)算機(jī)13上讀取實(shí)時(shí)流速與平均流速，為模型律定提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步的，所述高清攝像機(jī)12至少有兩臺(tái)，分別設(shè)在實(shí)驗(yàn)區(qū)及尾水處理裝置的可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管7段和觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽11段。由于在高速水體沖擊下，魚體被迫快速移動(dòng)，因此要利用高清攝像機(jī)全程進(jìn)行影像捕捉。

進(jìn)一步的，所述觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽11采用玻璃材質(zhì)制成，在底部與側(cè)平面均布置有二維坐標(biāo)紙，用于精確描述射流沖擊后魚體在該活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的位置及表現(xiàn)。

進(jìn)一步的，所述壓力罐體18內(nèi)部充水量不得超過容積的4/5，其頂部密封蓋與容器采用彈性密封圈19和螺栓20固定密封，壓力罐體18出水口處設(shè)有手動(dòng)射流啟閉閥23控制實(shí)驗(yàn)射流。

進(jìn)一步的，所述可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管7的管徑根據(jù)實(shí)驗(yàn)魚體8尺寸大小設(shè)置了多種不同規(guī)格，實(shí)驗(yàn)過程中通過接頭轉(zhuǎn)換器24實(shí)現(xiàn)不同管徑的可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管7與實(shí)驗(yàn)總裝置的連接，并在可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管7上標(biāo)有刻度尺。

進(jìn)一步的，所述滑動(dòng)式薄壁溢流堰16的出水口設(shè)置有尾水排放通道17。

進(jìn)一步的，所述可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管7的管徑為魚體8最大寬度的1.2倍。

實(shí)施例2：

采用任意一項(xiàng)所述實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，它包括以下步驟：

1）松動(dòng)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(guān)閉球形閥門6，安裝好壓力表5；

2）將空壓機(jī)1、壓力罐體18、裝有實(shí)驗(yàn)魚體的可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管7、觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽11依次連接起來，并檢查密閉性是否達(dá)標(biāo)；將高清攝像機(jī)12固定在滑動(dòng)鋼架15上，調(diào)整拍攝位置，接通電源，檢查信號(hào)輸出是否正常；

3）接通電源，操作數(shù)字顯示操作臺(tái)2，向密閉罐體內(nèi)輸送壓力，當(dāng)加壓到0.4mpa時(shí)，停止加壓，數(shù)字顯示操作臺(tái)2，維持壓力0.4mpa不變；

4）保證信號(hào)采集裝置正常工作的前提下，搬動(dòng)出水口球閥23，觀察魚體在高速水流射擊下的反應(yīng)及體貌生理變化，實(shí)驗(yàn)人員做好實(shí)驗(yàn)記錄，包括流速儀數(shù)據(jù)、魚體損傷描述、實(shí)驗(yàn)前后魚體狀態(tài)變化，高清攝像機(jī)全程做影像記錄；

5）實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)束后，關(guān)閉出水口球形閥23，取下可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管7，更換新的實(shí)驗(yàn)標(biāo)本；

6）檢查裝置是否漏水，信號(hào)采集裝置是否正常，壓力是否穩(wěn)定，檢查無誤后，重復(fù)上述操作步驟4-5繼續(xù)進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

本發(fā)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(nèi)部開始充水，不得超過罐體總?cè)莘e的4/5；

然后，將密閉壓力罐體18的螺栓20擰緊，關(guān)閉通氣閥6，接通空氣壓縮機(jī)1的電源，利用數(shù)字顯示操作臺(tái)2對(duì)壓力罐體進(jìn)行加壓，通過壓力表5讀出罐體內(nèi)部的實(shí)時(shí)壓力，例如，當(dāng)加壓到0.4mpa時(shí)，設(shè)置數(shù)字顯示操作臺(tái)2調(diào)節(jié)為恒壓模式；

拆卸可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管7，根據(jù)魚體尺寸選擇合適管徑，其中需要保證可拆卸透明實(shí)驗(yàn)管7的管徑為魚體8最大寬度的1.2倍，利用器具將實(shí)驗(yàn)用魚體8放入玻璃管內(nèi)，通過接頭轉(zhuǎn)換器24將玻璃管固定牢靠后，調(diào)節(jié)薄壁溢流堰板16高度到設(shè)計(jì)水位處，將觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽11水位蓄到設(shè)計(jì)高度。

接通所有信號(hào)采集裝置的電源，檢查高清攝像機(jī)12、聲學(xué)多普勒流速儀9、計(jì)算機(jī)13等設(shè)備的工作是否正常。

一切準(zhǔn)備就緒后，打開壓力罐體的止水閥23，在罐體內(nèi)高壓力推動(dòng)下，流體將呈現(xiàn)高速射流狀態(tài)，將實(shí)驗(yàn)用魚體8從玻璃管體7內(nèi)沖入觀察區(qū)實(shí)驗(yàn)水槽11，利用坐標(biāo)紙精確描述魚體在高速射流結(jié)束后一系列的生理反應(yīng)，并用高速攝影機(jī)記錄全過程，記錄好下游水位、adv流速儀讀取的數(shù)據(jù)，至此完成一個(gè)標(biāo)本的實(shí)驗(yàn)。

通過上述的說明內(nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員完全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明的未盡事宜，屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識(shí)。