一种测量鱼类受压力梯度和涡流损伤的实验装置的制作方法

本实用新型涉及一种鱼类检测装置，尤其是一种测量鱼类受压力梯度和涡流损伤的实验装置。

背景技术：

大坝的修建阻断了河流环境的连续性，这会对洄游性鱼类和大坝上下游鱼类基因的交流造成毁灭性的伤害。鱼类通过水轮机进入下游是鱼类下行过坝主要方式之一。近年来有研究表明：根据水轮机构造的不同，通过水轮机下行的鱼类死亡率在5%到30%之间。这表明了环境友好型水轮机的可行性。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、空蚀效应等），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，为环境友好型水轮机的设计和运行提供参考。

鱼类通过水轮机机流道所受到的水力剪切伤害主要发生在：1、急速水流通过固体边界，2、不同方向流动的水体交界处（会产生涡流）。Laura A. Garrison等通过CFD模型研究分析得出建在哥伦比亚河上瓦纳普姆水电站运行的轴流水轮机可能会对鱼类产生水力剪切伤害的区域有：1、流道叶片表面，2、叶片边缘和流道直接的缝隙处，3、叶片和轮毂间的缝隙处，4、经过叶片的尾流内部。其中，2、3、4处都产生了涡流。Laura A. Garrison等使用的模型实验主要是将鱼暴漏在淹没在一定流速管流的射流下，并得出了鱼类受到损伤的阈值1600Pa。不足的地方是Laura A. Garrison等使用的模型实验并没有涉及涡流影响。本实用新型实验装置可以有效地模拟水轮机流道内鱼类受到的涡流环境，进而得出鱼类受到涡流伤害的阈值，为之后的数值模拟研究和环境友好型水轮机的设计和运行提供参考。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种测量鱼类受压力梯度和涡流损伤的实验装置，能较好的模拟水轮机流道动水涡流环境，得出水轮机对流道内鱼体产生涡流损伤的阈值,测量鱼类受水环境下压力梯度和涡流损伤情况。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种测量鱼类受压力梯度和涡流损伤的实验装置，包括压力梯度模拟装置、涡流生成装置及信号采集装置；

所述压力梯度模拟装置包括与密闭水箱相连通的真空泵、空气压缩机，密闭水箱上设有对应的真空表和压力表；

所述涡流生成装置包括伺服电机，伺服电机的输出端设有叶片，伺服电机的控制电路与计算机连接，通过计算机控制伺服电机旋转并提供涡流；

所述信号采集装置包括安装在密闭水箱水下的高速摄像机和安装在密闭水箱内侧壁上的压力传感器，高速摄像机和压力传感器通过放大电路、A/D数模转换卡与计算机电连接。

所述密闭水箱中充入2/3容积的水，放入体长小于1/3水箱半径R的实验鱼体。

所述密闭水箱为不锈钢材质的圆筒型结构，封盖与箱体螺纹连接，封盖顶部设有安全阀。

所述真空泵和空气压缩机与密闭水箱相连的管路上分别装有调压阀和逆止阀。

所述压力传感器为8个，对称设置在密闭水箱水面以下3/8和5/8水深处环水箱壁上。

所述水下高速摄像机为4个，对称设置在密闭水箱水面以下1/8水深处环水箱壁上。

本实用新型一种测量鱼类受压力梯度和涡流损伤的实验装置，具有以下技术效果：

1）、通过密闭水箱内设置的水下高速摄像机观察、记录鱼体在涡流环境下的状态及损伤情况，通过调节真空泵、空气压缩机在密闭水箱内模拟水轮机流道内部压强环境，并由计算机控制伺服电机带动叶片进而带动水体产生涡流，测试实验鱼体在不同涡流下的状态和损伤情况。

2）、本装置结构简单、成本低、易操作，能模拟水轮机流道内涡流环境对鱼体的影响，为优化水轮机设计和运行提供借鉴。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型的示意图。

图2为本实用新型中密闭水箱的示意图。

图中：真空泵1，调压阀2，逆止阀3，空气压缩机4真空表5，压力表6，密闭水箱7，叶片8，伺服电机9，高速摄像机10，压力传感器11，放大电路12，A/D数模转换卡13，计算机14，密封盖15，安全阀16。

具体实施方式

如图1-2所示，包括密闭水箱7、压力梯度模拟系统、涡流生成装置和信号采集装置；

所述密闭水箱7为不锈钢材质的圆筒型结构，水箱顶部密封盖15与密闭水箱7采用便于装卸的螺纹连接，所述密封盖15上装有安全阀16，当压力过高时，可打开安全阀16进行泄气；密闭水箱7顶部装有真空表5和压力表6，可测量密闭水箱内的真空值和压力值，从而准确模拟实际压值；所述密闭水箱7中充入2/3容积的水，放入体长小于1/3水箱半径R的实验鱼体。

所述压力梯度模拟系统包括分别与密闭水箱7连接的真空泵1和空气压缩机4；所述真空泵1和空气压缩机4与密闭水箱7相连的管路上分别装有调压阀2和逆止阀3；所述调压阀2有两个，分别靠近真空泵1和空气压缩机4；所述逆止阀3有两个，靠近密闭水箱7；所述密闭水箱7内部压强可由真空泵1和空气压缩机4调节，以此来模拟水轮机内部流道压强环境；

所述涡流生成装置包括伺服电机9、叶片8和计算机14；所述伺服电机9安放在密闭水箱7底部中心位置处；所述叶片8安装在伺服电机9输出端顶部，伺服电机9带动叶片8旋转进而带动水体旋转提供涡流；所述计算机14通过伺服电路控制伺服电机9的转速。

所述信号采集装置包括水下高速摄像机10、压力传感器11、放大电路12、A/D数模转换卡13和计算机14；所述水下高速摄像机10有4个,对称设置在密闭水箱7内水面下1/8水深处环水箱内壁上，用于记录实验鱼体的状态和损伤情况；所述压力传感器11有8个，分别对称设置在密闭水箱7内水面下1/8和3/8水深处环水箱内壁上，所述压力传感器11通过放大电路12和A/D数模转换卡13将信号输入计算机14。

在本实施例中，空气压缩机采用蜗杆空气空气压缩机，其额定排气压力为0.8MPa，公称排气量为3.4 m³/min。真空泵1采用2BE型水环式真空泵，其结构简单、维修方便、运行可靠、高效节能，抽气速率412m³/h，极限真空值-0.098MPa。压力传感器11选用PK8869气体压力传感器，其测量范围为0~0.7MPa,最大输出信号225mV。放大电路12的电压输入范围为0~50mV，转换后电流输出范围为0~10mA。A/D数模转换卡13采用AC1057型通用A/D板，计算机14通过它得到信号，转换成气压时间变化曲线显示出来。

本实用新型测量鱼类受水轮机流道涡流损伤的实验装置所用的仪器设备以及结构尺寸：

1）.圆筒型结构密闭水箱7的尺寸为半径R=0.5m，高H=1.5m；

2）. 空气压缩机采用蜗杆空气空气压缩机；

3）.真空泵1采用2BE型水环式真空泵，抽气速率412m³/h，极限真空值-0.098MPa；

4）.压力传感器11采用PK8869气体压力传感器，其测量范围为0~0.7MPa,最大输出信号225mV；

5）.A/D数模转换卡13采用AC1057型通用A/D板；

6）.水下高速摄像机10采用昱帆-YF-1106S型水下高速摄像机。

利用本实用新型的实验装置进行鱼类受水轮机流道涡流损伤的实验按以下步骤进行：

步骤一：将密闭水箱7装入2/3容积的水，将5~10条体长小于0.2m的实验鱼体放入密闭水箱7，通过密封盖15密封密闭水箱7，并通过密闭水箱7顶部上装有真空表5、压力表6监测密闭水箱7内的真空值和压力值。

步骤二：启动真空泵1和空气压缩机4，通过调压阀2和逆止阀3调节密闭水箱7内部压强，模拟水轮机流道内部压强环境。

步骤三：启动伺服电机9带动叶片8进而带动密闭水箱7内部水体产生涡流，通过计算机14控制伺服电机9的转速形成不同涡流。

步骤四：通过设置的高速摄像机10观察和记录涡流形状及实验鱼体状态，并通过实验后对实验鱼体的暂养观察其恢复情况及解剖鉴定鱼体损伤程度。

步骤五：通过调节空气压缩机4和真空泵1模拟水轮机流道内的压强环境，同时由计算机14控制伺服电机9带动叶片8进而带动水体产生涡流，测试不同涡流环境下，密闭水箱7内的涡流形状、压力分布及实验鱼体损伤情况，并做统计分析，得出水体压力分布、涡流窝量与鱼体损伤的关系，有效模拟水轮机流道环境引起的涡流对进入水轮机流道的鱼体产生的影响和损伤。