CFD引导鱼类穿过危险的水域

1837年，缅因州奥古斯塔的纺织工厂在肯纳贝克河上建造了一座大坝，用于输送流体力学。1913年，它被转换为水力发电。1997年，联邦能源监管委员会(FERC)将大坝的3.5兆瓦产量与产卵大西洋鲑鱼，鲱鱼，鲱鱼，鲈鱼，鲟鱼，鱿鱼和鳗鱼的封锁通道进行了比较。FERC支持鱼类，1999年7月1日，缅因州摧毁了917英尺长，25英尺高的爱德华兹大坝。

面对环境友好型政府，全国各地的水电公司正在寻找方法让迁徙鱼类安全上下河流。其中一家公司正在使用功能强大的计算流体动力学软件来创建过山车的计算机模型，鱼类通过旋转涡轮机。

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福伊特西门子水电发电公司技术副总裁Richard K. Fisher Jr.说：“我们启动了改善水力发电环境兼容性的项目，以减少环保主义者和联邦许可局的批评。”在我们开始之前，我们有很难理解涡轮机内部对鱼的压力和载荷的影响。“

CFD模型为公司试验涡轮机设计提供了一种新方法，并为迁移鱼类提供了更温和的环境。

福伊特西门子水电公司表示，对于典型的大河卡普兰水轮机，通过大坝下游的鱼的存活率为88-92%。另外3-5%可能受伤，容易被捕食。但凭借其强大的计算机模型的结果，福伊特西门子水电公司声称在俄勒冈州的一个测试大坝减少了鱼的伤害，使用了一种名为Efishent的新型涡轮转子设计!Kaplan模型将伤害和死亡率降低40%。

该项目始于福伊特西门子水电获得美国能源部的资助，并开始与佐治亚理工学院的计算机科学家合作。出于这种关系，创建了一个名为Virtual Fish的程序。现在，他们可以将这条虚拟鱼发射到水流的CFD模型中，并测量其运动和作用于它的力。

“我们将鱼的形状简化为100到150个刻面的椭圆体，”他解释道。“该计划输出鱼类在通过涡轮机组件时的时间历史和载荷数据。然后我们修改设计，寻求降低负荷。”

他们很快就了解到剪切或速度梯度比进入墙壁或被涡轮叶片切片更危险。“我们看一下鱼的长度上的速度变化，因为负荷可能会使鳃回流，撕裂膜或将鱼弯曲到受伤点，”费舍尔说。

其他危险包括水中旋涡，这可能导致鱼头晕和迷失方向，成为下游掠食者的易捕食者。

当您将所有变量相加时，福伊特西门子水电工程师需要完成大量的计算工作。实际上，计算时间是一个问题 - 团队允许轮换叶片分析的250,000个节点运行1-3小时，而进水的100万个节点运行10-20小时。然后下游的尾水管又需要5-10个小时。

“真实的情况是，你可以分析整个涡轮机，并使用大量节点来获得一个好的解决方案，你可以使用高功率超级计算机计算数月，以获得一个点的解决方案。但我们在业务现在找到工程解决方案，所以我们必须保持我们的计算模型足够简单，以便将计算时间保持在10小时以内，“费舍尔说。计算每个操作点通常需要1-3个小时。“只要鱼没有游泳的倾向，我们对鱼的位置就有80-90%的正确率，”他说。

“虚拟的鱼没有自由意志。它就像一个惰性的木质椭圆体，由水携带。但我们可以确定作用于它的力。我们的梦想之一就是将一些虚拟生命编入其中，这样它就可以进入应对这些力量，压力和加速度。但在我们这样做之前，我们有足够的挑战减少负荷。“

该团队使用AEA Technology(Waterloo，ONT)的CFX-TASCflow CFD软件计算时间平均粘性3D流量。然后他们将Virtual Fish模型发布到该网格中。最后，他们将计算数据导入EnSight，这是一个用于分析和动画CFD问题的程序，来自Computational Engineering International(Morrisville，NC)。当用户佩戴立体护目镜时，该程序使数据在动画，立体3D模拟中可见。并且EnSight生成鱼网被释放的网格，绘制它们在大坝中流动时的加速度和冲击力。

“我们制作后处理器可视化软件，动画可以告诉你你对模型不了解的事情，”CEI总裁Kent Misegades说。该计划的挑战之一是纠正鱼比水重的事实。“就像一只虫子飞进你的挡风玻璃，鱼有一定的动量，所以它们不会跟随确切的水流，”他说。

你如何处理所有这些数据?它真的有助于鱼吗?

位于俄勒冈州波特兰以东40英里的哥伦比亚河上的邦纳维尔大坝可能会得到答案。它高197英尺，长2,690英尺，使缅因州的小型水坝相形见绌，这些水坝使用直径为48英寸的涡轮机。这座大坝中典型的卡普兰水轮机直径为280英寸，以75转/分钟的速度旋转5个叶片，排放13,600立方英尺。排放率为16,000 cfs，产生60,000马力，约为44,760 mW。

当你看到旋转涡轮机的功率时，那些速度梯度不是开玩笑。大型卡普兰涡轮机采用CA6NM制造，铸造不锈钢，含13%铬和4%镍。叶片也在轮毂内旋转，角度从15-30度改变。哥伦比亚河Kaplans在河流上游水的高度处处理80-120英尺的“水头”，产生的压力范围高达3-5个大气压。

当工程师处理这些巨大的压力时，工程师能改变多少?使用先进的CFD，福伊特西门子水电工程师创造了最小间隙轴流式水轮机转轮(MGR)，它尽可能缩小涡轮叶片和墙壁之间的间隙，最大限度地减少湍流和速度梯度。这也称为Efishent(TM)Kaplan模型。

“通过涡轮机就像一个旋转门，”费舍尔说。“你宁愿经历一个缓慢的，大的，而不是一个快速的，小的。特别是如果你在黑暗中奔跑!”

在邦纳维尔，大坝的10个涡轮机中的一个已被MGR取代，早期的结果很好。(参见附图)但随着工程师努力改进计算机模型，工作仍在继续。

接下来的步骤之一是更好地将虚拟鱼校准为真正的动物。生物学家将活鱼传递到带有气球的涡轮机上，这样他们就能找到并检查动物。饥饿的海鸥经常在研究人员到达它们之前抓住茫然，疲惫，浮动的鱼，因此它们也必须吓跑或射击海鸥。

校准的另一种方法是来自太平洋西北国家实验室(位于华盛顿州里奇兰)的新型“碰撞假鱼”，这是一种6英寸橡胶仪表鱼模型，带有板载压力传感器，加速度计，计算机和电池，所有这些都附有气球标签。

与此同时，政治家和环保主义者将继续争取大坝的价值。行业数据显示，传统的水力发电产生约10%的美国电力，约占全球电力的20%。由CFD建模人员来平衡国家的能源需求与水坝对环境的影响。

该技术的其他应用

除了旋转叶片本身之外，水坝周围的鱼类的另一个危险是下游的水可以耗尽氧气，即使对于没有通过涡轮机的鱼也会造成更多的捕食者危险。某些水库在夏季会产生急剧分层的水层，水坝通常会将这种底层水吸入水轮机进水口。

因此福伊特西门子水电和田纳西河流域管理局正在使用预先计算的CFD流场来应用乔治亚理工学院开发的名为“虚拟气泡”的软件代码，Fisher说。以与Virtual Fish类似的方式，将虚拟气泡作为后处理器释放到模拟流动流中，以计算变量，例如：气泡运动，穿过气水膜的气体传递，气泡破裂和压力影响。气泡大小。

该软件用于开发涡轮机以“通气”水以增加大坝排放中的溶解氧水平，因此生活在下游的鱼有更好的栖息地。