本发明涉及一种模拟水轮机流道涡流对过机鱼体影响的实验装置及其实验方法。
背景技术：
水轮机是将水流能量转化为转轮旋转机械能的一种水力原动机，它主要利用水流的动能和势能做功，是水电站的主要动力设备，用来带动发电机工作以获取电能，但水轮机在运行过程中对鱼类可能造成一定的损伤。洄游性鱼类在穿过水轮机时将遭受严重的伤害，非洄游性鱼类也可能由于水轮机的运行被吸入水轮机流道而受到伤害。对普通的水轮机，鱼类通过水轮机的死亡率超过30%。
根据1995年美国陆军工程师团（usace）水轮机流道鱼类存活率研究小组分析，鱼类通过水轮机流道下行时可能受到伤害的机理有机械、压力、剪切力和空蚀等四种。其中机械原因是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件相撞击摩擦而损伤：压力原因是这鱼类在通过水轮机流道内进行能量转换的地方，会出现压力突然改变的情况而受到伤害；剪切力原因是指水轮机流道中靠近固体边界附近出现较大的剪切应力而伤害鱼类；空蚀原因是指水轮机流道内发生的空蚀现象，气泡在形成到溃灭的过程中，其附近将产生高压冲击波或者高速微射流，进而对鱼类造成损伤。
在上面提到的四类原因中，剪切应力还与流场中的涡流强度有关，如在转桨式水轮机导叶端面、叶片与转轮的间隙处，由于漏水造成的水流分离而引起的涡流产生较强的剪切应力。尾水管中的涡流也将产生较强的剪切力。此外，涡流还能使鱼类迷失方向，使其更易被其他鱼类和鸟类所捕食。
为了进一步构建“亲鱼型”水轮机，有必要发现各种机理对鱼类的损伤，从而改造水轮机结构，通常采用的是人工模拟实验。本发明旨在采用一种经济环保、简单易行和效果明显的方法，用一种实验装置模拟水轮机流道涡流对过机鱼体影响，尽可能得到理想的模拟效果。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种模拟水轮机流道涡流对过机鱼体影响的实验装置及方法，进而得到鱼体在不同速度、不同方向和不同大小涡流下的不同反应的数据资料，为进一步改善水轮机的结构提供支持。
为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种模拟水轮机流道涡流对过机鱼体影响的实验装置，它包括用于给实验鱼体提供氧气的实验鱼体供氧装置，用于给实验鱼体进行反应空间的实验鱼体反应区，所述实验鱼体反应区与模拟流道涡流生成装置相连，还包括用于对实验过程进行记录的实验记录装置和用于实验水体循环回流的实验循环用水装置。
所述实验鱼体供氧装置包括氧气罐，所述氧气罐通过氧气管路直接向实验鱼体反应区供氧，所述氧气罐上设置有数字显示操作台，通过数字显示操作台控制氧气罐输出的氧气量；所述氧气管路在靠近氧气罐的一端设置有通气阀，通过通气阀来控制氧气输送的启闭。
所述实验鱼体反应区包括密封水箱，所述密封水箱为透明的钢化玻璃拼装而成，在其顶部设置有第一孔和第二孔，所述第一孔上穿过氧气管路；所述第二孔上穿过供水供气管路；所述密封水箱顶部设置有真空压力表，并监测密封水箱内的压强。
所述模拟流道涡流生成装置包括滚筒、电磁继电开关系统、放大电路和计算机；所述滚筒通过放大电路与计算机连接，由计算机来控制滚筒内置电机的转动快慢和方向，模拟流道涡流的大小、速度和方向；所述滚筒通过电磁继电开关系统安装在密封水箱的底部；所述滚筒外围罩着一层网格海绵。
所述实验记录装置包括高速摄像机、a/d数模转换卡与放大显示屏；所述高速摄像机采用水下摄像机，在水中能够保持稳定运行；所述高速摄像机通过a/d数模转换卡与放大显示屏连接；所述高速摄像机有四台，在密封水箱的四个角落上均布置有一台，且布置在密封水箱高度的3/4~4/5处。
所述实验循环用水装置包括实验用水供给装置和实验用水收集处理装置；所述实验用水供给装置包括透明水槽、第一压水管路、第二压水管路、水泵、可旋转的无缝弯头和进水阀，所述透明水槽通过第一压水管路和第二压水管路与密封水箱相连；所述第一压水管路和第二压水管路通过可旋转的无缝弯头连接，第一压水管路的进水口处伸入透明水槽的液面以下直至其底部，在第二压水管路的出水口处伸入密封水箱液面以下约1/2高度处，在进水口处设置有进水阀；所述水泵设置在透明水槽底部并通过进水阀与第一压水管路相连。
所述实验用水收集处理装置包括吸水管路、灯泡式水体过滤装置以及出水阀；所述灯泡式水体过滤装置通过吸水管路分别与密封水箱和透明水槽相连接；所述透明水槽将收集实验处理后的水；所述吸水管路在靠近密封水箱的一端设置有出水阀。
所述灯泡式水体过滤装置内部有五个分离隔层，第一个隔层为矩形网格状的栅网，第二个隔层填充有细沙子，第三个隔层填充有鹅卵石，第四个隔层填充有芦苇，第五个隔层填充有活性炭。
所述实验鱼体为8~12cm长的幼鱼。
任意一项模拟水轮机流道涡流对过机鱼体影响的实验装置的实验方法，它包括以下步骤：
step1：组装上述的实验装置，将氧气管路穿过第一孔，第一压水管路穿过第二孔；
step2：实验前的准备，打开自来水开关向透明水槽放水，打开进水阀，当透明水槽内的液面到达2/3时，打开水泵向密封水箱注水，直到密封水箱中的液面到达4/5时，关闭自来水开关、水泵和进水阀，并通过可旋转的无缝弯头将液面以下的第二压水管路移出液面，空出的第二孔用作排气孔；同时，打开电磁继电开关系统，保证滚筒紧密地连接在密封水箱的底部；
step3：实验过程，先将实验鱼体投放到密封水箱中，为确保鱼体的安全生活以降低实验的误差，打开氧气罐和通气阀，通过氧气管路持续地向实验鱼体通氧，并由数字显示操作台来保证输出氧气量，在实验过程中随时关注压强表，避免由于压强差引起的液体回流；
step4：通过计算机编写好程序，在放大电路的连接下，控制滚筒内置电机旋转的速度和方向，以此来模拟水轮机流道的涡流，记录下此时密封水箱内水体旋转的半径和计算机编写的程序上电机的控制频率，保存为一次实验数据；同时，通过密封水箱外面粗略地观察实验鱼体的反应，或通过a/d数模转换卡连接着的高清摄像机，投影并记录到放大显示屏上的影像资料，详细地观察实验鱼体的生理反应；
step5：关闭所有的实验区的仪器，取出实验用的鱼体，对其进行生理检验，并将放大显示屏上面的视频资料加载命名，进一步观察其反应，确定好一组实验；
step6：实验后的处理，当一组实验进行完之后，实验区密封水箱中的水体已经污染，对下一次实验会有影响，需要处理实验用水；打开出水阀，让实验用水通过吸水管路流经灯泡式水体过滤装置，依次经过灯泡式水体过滤装置中的五层隔层，达到净化水体的作用；在处理时，可以打开进水阀，让处理后的水再次通过压水管路进入密封水箱，反复循环过滤；处理过后的水体将再一次到达透明水槽中，以备下一次实验的实用，至此完备的完成了一次实验的全过程。
本发明有如下有益效果：
1、在水轮机影响过机鱼体的各种因素中，着重研究涡流的影响。通过人为模拟水轮机流道涡流，控制涡流的大小、速度和方向，来观察不同条件下的涡流对鱼体的损伤情况，以期得到完善的资料，为进一步构建“亲鱼型”水轮机提供参考。
2、本实验装置旨在采用一种经济环保、简单易行和效果明显的方法，尽可能对水轮机流道涡流对过机鱼体的影响做出全面精确的模拟。
3、通过氧气罐上的数字操作台，可以直观控制输出的氧气量。
4、通过电磁继电开关系统，模拟流道涡流生成装置可以牢固地连接在实验鱼体反应区密封水箱的底部，不会引起飞逸。
5、由计算机控制的滚筒内置电机转动的速度和方向，可以模拟水轮机流道不同情况下的涡流。同时，在滚筒外围罩着的一层网格海绵，可以避免实验鱼体与滚筒发生碰撞，减小实验误差。
6、由于涡流条件下的鱼体在水下绕着涡旋中心运动，为了全面完整地记录下这一过程，使用的是水下高速摄像机，同时，由于摄像机角度可能存在着偏差，故高速摄像机在密封水箱的四个角落均有设置。
7、实验用水经过灯泡式水体过滤装置处理，该过滤装置分为五个隔层，第一个隔层为网格的栅网，第二个隔层填充有细沙子，第三个隔层填充有鹅卵石，第四个隔层填充有芦苇，第五个隔层填充有活性炭，这些材料都很容易从生活中获取，而且对水体的过滤吸附作用较强。
8、通过水泵、压水管路和吸水管路、进水阀和出水阀联合使用，可以控制整个实验用水的循环，到达“一次放水，多次使用”的目的。
9、压水管路在弯角处由可旋转的无缝弯头连接，当密封水箱中的水达到整个箱体容积的4/5时，可以直接通过旋转将管道移出实验区。
10、密封水箱顶部设置有第一孔和第二孔，其中，第一孔方便氧气管路的布置，第二孔一方面便于压水管路的布置，另一方面也作为排气孔使用。同时，大水箱顶部还设置有真空压力表，安全监测着大水箱内部的压强，避免压力差带来的液体回流。
11、实验区密封水箱由钢化玻璃拼装而成，既方便直接观察鱼体的活动，也方便拆卸后的清理。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明装置的整体结构示意图。
图中：氧气罐1、数字显示操作台2、通气阀3、氧气管路4、密封水箱5、第一孔6、第二孔7、真空压力表8、实验幼鱼9、滚筒10、网格海绵11、电磁继电开关系统12、放大电路13、计算机14、水下高速摄像机15、a/d数模转换卡16、放大显示屏17、自来水开关18、透明水槽19、水泵20、进水阀21、第一压水管路22、无缝弯头23、第一压水管路24、出水阀25、灯泡式水体过滤装置26、吸水管路27。
图2是本发明装置中滚筒的俯视图。
图3是本发明装置改进后的整体结构示意图。
图中：波轮30，其余结构和图一相同。
图4是本发明装置改进后的波轮的俯视图。
图中的箭头标识指示着水流的流动方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
如图1-2，一种模拟水轮机流道对过机鱼体影响的实验装置，它包括实验供氧装置、实验鱼体反应区、模拟流道涡流生成装置、实验记录装置和实验循环用水装置。
进一步的，所述实验鱼体供氧装置包括氧气罐1，所述氧气罐1通过氧气管路4直接向实验鱼体供氧，所述氧气罐1上设置有数字显示操作台2，通过数字显示操作台2来控制氧气罐1输出的氧气量；所述的氧气管路4在靠近氧气罐1端设置有通气阀3，通过通气阀3来控制氧气输送的启闭。
进一步的，所述实验鱼体反应区包括密封水箱5，所述密封水箱7为透明的钢化玻璃拼装而成，在其顶部开有第一孔6和第二孔7，第一孔6的直径为2cm，第二孔7的直径为8cm，其中第一孔6是为了布置氧气管路，第二孔7一方面是便于供水，另一方面则是用作排气孔；所述密封水箱5顶部设置有真空压力表8，安全监测着大水箱内的压强，避免压强差带来的液体回流；所述实验鱼体9为8~12cm长的幼鱼。
进一步的，所述模拟流道涡流生成装置包括滚筒10、电磁继电开关系统12、放大电路13和计算机14；所述滚筒10通过放大电路13与计算机14连接，由计算机14通过输入的编写程序来控制滚筒9内置电机的转动快慢和方向，可模拟水轮机流道内涡流的大小、速度和方向；所述滚筒10通过电磁继电开关系统12，紧密地安装在密封水箱5的底部；所述滚筒10外围罩着一层网格海绵11，避免实验鱼体9与滚筒10发生碰撞。
进一步的，所述实验记录装置包括高速摄像机15、a/d数模转换卡16与放大显示屏17；所述高速摄像机15在水中依然保持稳定运行；所述高清摄像机15通过a/d数模转换卡16与放大显示屏17连接；所述高速摄像机15有四台，在密封水箱5的四个角落上均布置有一台，且布置在密封水箱5高度的3/4~4/5处。
进一步的，所述实验循环用水装置包括实验用水供给装置和实验用水收集处理装置；所述实验用水供给装置包括透明水槽19、压水管路22和24、水泵20、可旋转的无缝弯头23以及进水阀21；所述透明水槽19通过第一压水管路22和第一压水管路24与密封水箱7相连接；所述的第一压水管路22和第一压水管路24通过可旋转的无缝弯头23连接，在进口处伸入透明水槽19的液面以下直至其底部，在出口处伸入密封水箱5液面以下1/2高度处，并在进水口处还设置有进水阀21；所述的水泵20设置在透明水槽19的底部。
进一步的，所述实验用水收集处理装置包括吸水管路27、灯泡式水体过滤装置26和出水阀25。所述灯泡式水体过滤装置26通过吸水管路27分别与实验鱼体反应区密封水箱5和实验用水供给装置的透明水槽19相连接；所述透明水槽19将收集实验处理后的水，以备下一次实验的使用，达到循环用水的目的；所述吸水管路27在靠近大水箱7端设置有出水阀25。
进一步的，所述灯泡式水体过滤装置26在内部有五个分离隔层，第一个隔层为8*8mm网格的栅网，第二个隔层填充有细沙子，第三个隔层填充有鹅卵石，第四个隔层填充有芦苇，第五个隔层填充有活性炭，通过这些材料对实验后的水体起到过滤净化的作用。
进一步的，所述实验鱼体反应区密封水箱5和实验循环用水装置的透明水槽19，其储水的最大值不得超过容器储水容量的4/5。
本发明一种模拟水轮机流道涡流对过机鱼体影响的实验装置所用的仪器以及结构尺寸：
1、氧气罐1的选用sy-09-5l型，其内部氧气溶度为50%±5%；
2、氧气管路的直径为8mm，且管壁的厚度为5mm；
3、密封水箱5的尺寸为：底部半径为0.8m，高度为1m；
4、密封水箱5顶部的真空压力表8选用yz-100型，其测量范围为-0.2mpa~0.8mpa；
5、滚筒10选用普通的碳钢镀锌材质，半径为0.2m，高度为0.35m，其内置电机的输出电压为380v；
6、电磁继电开关系统选用rrtl-sr048型，输出电压也为380v；
7、放大电路13的输出电流范围为0~10ma；
8、高速摄像机15采用昱帆yf-1160s型水下高速摄像机；
9、a/d数模转换卡采用ac11057型通用a/d板；
10、透明大水槽19的尺寸为：底部半径为1m，高度为0.6m；
11、水泵20采用qs20-1.8-2.2型，输出电流为6.5a；
12、压水管路22和24的直径为6cm，且管壁厚度为8mm；吸水管路27的直径为5cm，且管壁厚度为6mm，均选用可拆卸的pvc水管。
实施例2：
采用本发明实验装置的实验方法为：
step1：组装上述的实验装置，将氧气管路4穿过第一孔6，第一压水管路22穿过第二孔7；
step2：实验前的准备，打开自来水开关18向透明水槽19放水，打开进水阀21，当透明水槽19内的液面到达2/3时，打开水泵20向密封水箱5注水，直到密封水箱5中的液面到达4/5时，关闭自来水开关18、水泵20和进水阀21，并通过可旋转的无缝弯头23将液面以下的第二压水管路24移出液面，空出的第二孔7用作排气孔；同时，打开电磁继电开关系统12，保证滚筒10紧密地连接在密封水箱5的底部；
step3：实验过程，先将实验鱼体9投放到密封水箱5中，为确保鱼体9的安全生活以降低实验的误差，打开氧气罐1和通气阀3，通过氧气管路4持续地向实验鱼体9通氧，并由数字显示操作台2来保证输出氧气量，在实验过程中随时关注压强表8，避免由于压强差引起的液体回流；
step4：通过计算机14编写好程序，在放大电路13的连接下，控制滚筒10内置电机旋转的速度和方向，以此来模拟水轮机流道的涡流，记录下此时密封水箱5内水体旋转的半径和计算机14编写的程序上电机的控制频率，保存为一次实验数据；同时，通过密封水箱5外面粗略地观察实验鱼体9的反应，或通过a/d数模转换卡16连接着的高清摄像机15，投影并记录到放大显示屏17上的影像资料，详细地观察实验鱼体9的生理反应；
step5：关闭所有的实验区的仪器，取出实验用的鱼体9，对其进行生理检验，并将放大显示屏17上面的视频资料加载命名，进一步观察其反应，确定好一组实验；
step6：实验后的处理，当一组实验进行完之后，实验区密封水箱5中的水体已经污染，对下一次实验会有影响，需要处理实验用水；打开出水阀25，让实验用水通过吸水管路27流经灯泡式水体过滤装置26，依次经过灯泡式水体过滤装置26中的五层隔层，达到净化水体的作用；在处理时，可以打开进水阀21，让处理后的水再次通过压水管路22进入密封水箱5，反复循环过滤；处理过后的水体将再一次到达透明水槽19中，以备下一次实验的实用，至此完备的完成了一次实验的全过程。
实施例3：
在本发明中，滚筒10的体积对实验存在影响，为了减少滚筒10体积带来的误差，可以考虑改进滚筒10，用另一种类似滚筒作用但不会占据密封水箱5太多空间的其他仪器代替。为了解决这个问题，如附图3和附图4所示，可考虑用波轮28代替，波轮28的转动快慢和方向也能形成不同大小、速度和方向的涡流。其他构造保持不变，同实施例1保持一样；同样的，改造后的实验装置的原理和操作过程同实施例2相同。
作为优选，选用的波轮的半径为0.15m，共设置有5个轮叶，采用普通的铝合金材质。
通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本发明的保护范围之内。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。