基于鱼形颗粒群追踪的贯流泵鱼类撞击损伤特性研究.pdf

第54卷第10 期2023年10 月农报业学机械doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2023.10.014基于鱼形颗粒群追踪的贯流泵鱼类撞击损伤特性研究张德胜1史科航潘强施卫东？（1.江苏大学流体机械工程技术研究中心，镇江2 12 0 13；2.南通大学机械工程学院，南通2 2 6 0 19）摘要：叶片撞击是鱼类过泵损伤的最主要因素，为了研究鱼类通过贯流泵的撞击损伤特性，基于CFD-DEM耦合方法，通过修改耦合接口代码优化电力计算模型，研究贯流泵中鱼体与叶片及壁面撞击后的运动行为及受力损伤。以简化的平板撞击鱼类为数值模拟的切人点，分析了鱼体受到撞击损伤的影响因素，并预测鱼体的过泵损伤死亡率。结果表明：通过数值模拟与实验拟合，得到导致鱼体长度与叶片前缘厚度之比（L/d）为2 时鱼类死亡的撞击力阈值为2 446 N；减小叶片前缘倾角、减小鱼体撞击速度、增大叶片前缘厚度，可降低鱼体与叶片前缘碰撞受力来降低鱼体的受力损伤；贯流泵中鱼体与叶片前缘碰撞产生的撞击力最大，撞击损伤最严重，是贯流泵装置中造成鱼类死亡的主要部件；泵站来流中鱼体尺度越小，叶片撞击概率越低，减小L/d，可以降低前缘撞击力，从而提高鱼类过泵存活率。关键词：鱼友好型贯流泵；鱼类存活率；撞击力；数值模拟；CFDD EM中图分类号：TH312文献标识码：A文章编号：10 0 0-12 9 8（2 0 2 3）10-0 152-0 9OSID:Fish Strike Damage in Tubular Pump Based on Fish-shapedParticle Tracking MethodZHANG DeshengSHI KehangPAN QiangSHI Weidong2(1.Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China2.School of Mechanical Engineering,Nantong University,Nantong 226019,China)Abstract:The strike of blades is the most important factor for the damage to fish passing through thepump.In order to study the strike damage characteristics of fish passing through the tubular pump,basedon the CFD-DEM coupling method,the drag force calculation model was optimized by modifying thecoupling interface to study the movement behavior and force damage of the fish after striking with theblade and wall of the tubular pump.Taking the simplified plate strike on fish as the starting point ofnumerical simulation,the influencing factors of strike damage caused by the collision between fish bodyand blade were analyzed,and the death caused by over-pump damage of fish body was predicted.Theresults showed that the strike damage caused by fish body collision was related to the strike force on fishbody.Increasing the front edge thickness,reducing the front edge inclination angle,and reducing thestrike speed can reduce the strike force between the fish body and the blade leading edge to reduce thestress damage of the fish body.It was reasonable to obtain the impact force threshold of 2 446 N that led tothe death of L/d=2 fish;increasing the front edge thickness,reducing the front edge inclination angle,and reducing the strike speed can reduce the collision force between fish body and leading edge of blade,thereby reducing the impact damage of fish;the strike force between fish and leading edge of the blade ofpump was the largest,and its strike damage was the most severe,which meant that the leading edge ofblade of pump was the main part responsible for fish death in the tubular pump device;the smaller the sizeof fish body in the inlet flow of pump station was,the lower the probability of blade strike was;reducingthe ratio L/d of the length of fish body to thickness of leading edge of the blade could reduce the strikeforce of leading edge,thereby improving the survival rate of fish passing through the pump.Key words:fish friendly tubular pump;fish survival rate;strike force;numerical simulation;CFD-DEM收稿日期：2 0 2 3-0 3-16 修回日期：2 0 2 3-0 5-10基金项目：国家自然科学基金项目（52 2 0 9 111、519 7 9 12 5）、江苏省自然科学基金项目（BK20220542、BK 2 0 2 11547）和江苏省水利科技项目（2 0 2 10 0 7)作者简介：张德胜（19 8 2 一），男，研究员，博士生导师，主要从事流体机械设计理论及流动特性研究，E-mail：z d s u j s.e d u.c n通信作者：潘强（19 9 1一），男，助理研究员，主要从事流体机械设计理论及流动特性研究，E-mail：q p a n u j s.e d u.c n153张德胜等：基于鱼形颗粒群追踪的贯流泵鱼类撞击损伤特性研究第10 期0引言泵站在防洪、发电、灌溉、跨流域调水等方面有着不可替代的作用，然而也会对生态环境造成负面影响。鱼类在通过泵站时，与泵叶片碰撞造成高比例损伤或死亡，影响生物多样性并导致局部生态环境污染；水库大坝截断江河，阻隔了鱼类洄游通道，影响鱼类的产卵繁殖2 。近年来，国家越来越重视生态环境的保护问题，中华人民共和国长江保护法和十四五水利科技创新规划明确指出保护水生生物及其洄游通道、研发水利工程过鱼设施关键技术的重要性。由此，研究鱼体撞击损伤规律并提高泵站过鱼的存活率对生态环境具有重要意义。鱼类通过水力机械时造成的损伤和死亡存在多种因素。研究人员通过大量的实验研究发现，造成鱼类损伤和死亡的主要因素是压力波动、流体剪切力和机械损伤3-5。文献6 通过实验发现不同鱼种承受压降的能力，有鱼的鱼类存活率较高。文献7 通过实验得到了鱼类可承受的剪切速率阈值为50 0 s1,且受鱼种和鱼体朝向的影响。文献8-10通过CFD（计算流体力学）发现压力波动及剪切速率仅在叶片前缘、转轮室壁面等局部区域会对鱼体造成损伤，证明叶片撞击是鱼类损伤死亡的最主要因素。文献1112 进行大量的鱼类与叶片的撞击实验，发现鱼类损伤会随着叶片加厚以及撞击速度降低而减小。并建立了撞击概率与鱼体运动、鱼体长度和叶片关系的模型。文献1315 进行了大量的数值计算和活鱼实验，结果表明鱼体与半圆形和加厚的叶片前缘碰撞时，可以使鱼类先发生大的形变从而减弱撞击力。随后文献16 通过鱼与叶片的撞击实验，发现叶片前缘厚度、叶片前缘倾角、撞击速度以及鱼受到的撞击部位都是鱼受到撞击后影响存活率的重要因素。通过实验研究鱼类撞击损伤的操作复杂，实验变量不易控制且成本高昂，通过数值模拟的方法来研究鱼类经过水力机械的撞击损伤与运动特性逐渐普遍。文献17-18 通过CFD技术与水轮机流场耦合模拟实验，发现可以通过控制鱼体进人流场人口的位置，来控制鱼体通过水轮机叶片位置，鱼体朝向是影响叶片撞击模型的最主要因素，使用随机的鱼体朝向来计算撞击概率可以提高结果的准确性。文献19 首次通过DEM（离散元法）软件将鱼体简化为柱状颗粒，来模拟鱼体在潮汐轮机中的运动，统计鱼体的撞击概率，并引人回避率修正撞击概率结果。文献2 0 通过沉浸边界和流固耦合方法研究鱼类运动，结果表明鱼体撞击损伤会随泵站流量运行的增大而增大。文献2 1 通过流体力学计算与Actran软件结合研究发现，轴流泵低流量运行易导致鱼的听觉系统受损。文献2 2 通过CFD模拟方法研究混流式水轮机流道对鱼类的损伤，结果表明压力损伤和剪切损伤概率与流量呈正相关，压力损伤概率是主要原因。本文基于CFD-DEM耦合模拟的方法，通过修改编译传统的耦合接口代码，将鱼体质点当作中心点，在其周围选取多个流场点，采用矢量叠加的方法进行曳力计算。研究贯流泵中鱼体与叶片及壁面撞击后的运动行为及损伤特性，分析鱼类撞击死亡的影响因素，以期为鱼类友好型水力机械优化设计提供参考依据。1数值模拟方法1.1流体控制方程在模拟过程遵循流场内质量、动量和能量守恒，不考虑能量传递和耗散所涉及的温度变化。流体视为不可压缩连续介质，采用RANS方程求解。流体的控制方程表示为pr)+V(pfu,)=0(1)at(pjuf)+V(pfujuf)=-Vp+atV(,+u,)(Vu,+u,)+prg+F(2)式中P/流体密度,kg/mu流体平均速度,m/st时间，sP-压力,Pa8重力加速度,m/s?流体动力粘度，Pas流体端流粘度，PasF-其他作用力作用的合力，N1.2鱼形颗粒运动方程鱼体在流场中不会自主运动，只受到流场的作用力。根据牛顿第二运动定律，鱼形颗粒群求解方程式表示为md=Fa+F,+F.(3）PdtdoZT,+ZT.+ZT,(4)dt式中mp颗粒质量，kgup鱼体颗粒速度,m/sFd流场对鱼体颗粒作用的力，NF粒子重力和浮力的总和，N中滚动摩擦因数ReR旋转雷诺数R滑移-剪切升力系数式中流体和颗粒间的相对角速度阻尼系数颗粒弹性刚度碰撞中颗粒i和颗粒j的相对速度颗粒质心到碰撞触点的矢量切向单位向量n法向单位向量农2023年154报学机业械F鱼类颗粒群间撞击产生的接触力，N转动惯量,kgm颗粒角速度,rad/sT,流体力转矩,NmT一切向力转矩，NmT,一一滚动摩擦力转矩,NmF。根据文献2 3 提出的非球形颗粒的电力模型来计算。但该公式只适用于颗粒体积小于网格体积的情况，以颗粒质心点所在网格的流场速度来代替颗粒受到的流场速度。由于本文颗粒模型尺寸远大于网格尺寸，且在流场中的运动方向随机，此时只选用颗粒质心所在网格的流场速度不能代替颗粒模型受到的曳力。本文通过修改耦合接口代码，在颗粒模型周围选取多个流体速度。如图1所示，以颗粒质心为中心，沿、y、z 正负轴以0.5倍和0.2 5倍鱼体的长度取点，加上颗粒质心处点共取13个，用这些点的流场速度通过量叠加取平均值的方法代人非球形电力模型计算得出电力。图1优化电力计算取点示意图Fig.1SSchematic of optimal drag calculation points1FapA,lulu(5)2其中(u-u,)(6)u1ATTd424b,Re;+b.+Re:(7)CRe;b=exp(2.3288-6.4581+2.4486g）（8)b,=0.096 4+0.556 5(9)b,=exp(4.905-13.8944g+18.4222g-10.2599g)(10)b4=exp(1.468 1+12.258 4-20.7322+15.8855g)(11)式中鱼体颗粒在流场中的速度,m/s鱼体颗粒周围选取的多个流场速度，m/sn计算电力时选取的流体速度点数，取13d颗粒直径,m颗粒球形度，球形颗粒表面积与同体积非球形颗粒表面积之比F为鱼体颗粒在流场中受到的重力和浮力总和，计算公式为P,-PF=m,g(12)Pp式中P，鱼体颗粒密度，kg/mF。为鱼类颗粒群间撞击产生的接触力，包括法向分量Fcn和切向分量Fcr。由文献2 4提出的软球接触模型求解，即F.=Fcn+F(13)其中Fon=-k,o,n-y,(u,n)n(14)F=-k,ot-,(ut)t+(w,r,-wjr)(15)式中碰撞对之间的位移流体对旋转颗粒的转矩T，使用文献2 5的表达式，旋转系数CR由文献2 5-2 6 的直接模拟得到，计算公式为PIT,=Crlaf-,lof-p(16)22一其中u,-w,(17)2(12.9128.4(ReR32)Rer十0.5ReRCR(18)64T(32 Rer1 000)ReRplwf-,ld,ReR(19)切向力转矩T，滚动摩擦力转矩T，计算公式为T,=rF(20)CtT,=-,F,IRI(21)F,=-k,o,n(22)R与鱼形颗粒等体积的小球半径1.3流场一鱼体耦合为了模拟鱼类在流场中的运动过程，通过欧拉一拉格朗日模型进行双向耦合，使用RANS方法处理流体相，使用DEM方法来描述颗粒的运动，捕捉每个颗粒运动和碰撞等信息。计算过程可归纳为：Fluent先进行单个时间步的计算，EDEM通过耦合155张德胜等：基于鱼形颗粒群追踪的贯流泵鱼类撞击损伤特性研究第10 期接口，获取Fluent中的流场信息，计算颗粒所受的流体力、转矩、碰撞力等，更新颗粒运动状态，再将计算得到的颗粒位置、反作用力等通过耦合接口传递给Fluent,Fluent根据这些信息继续进行时间步计算，从而形成DEM颗粒与Fluent流场信息的相互传递。模拟过程的具体设置如下：采用Fluent软件求解模型内的不可压三维定常流动，EDEM软件模拟鱼体颗粒在流场的运动受力，通过耦合接口实现流场、鱼体运动信息的相互传递。Fluent中采用标准k一模型计算，模型进口设置为速度人口，假定5%的中等流强度，出口设置为压力出口。模拟中将固体壁面设置为光滑、无滑移壁面。在EDEM中选择Hertz-Mindlin(no slip）w i t h RVD Ro l l i n g Fr i c t i o n作为颗粒与壁面间以及颗粒间的相互作用计算模型。耦合设置中选用Euler-Lagrangian作为耦合方法，选用修改的电力模型作为鱼体电力计算方法，设置samplepoints值为10 0，增加模拟过程的稳定性。2物理模型与实验验证2.1几何模型建立文献16 开展了鱼类平板撞击的存活率实验，设计有5个不同前缘倾角的特殊叶片，通过控制该叶片以不同速度、不同叶片前缘倾角撞击被麻醉后用细线固定好头尾的鱼体，在叶片撞击后，鱼体可以在水箱中自由运动。以此来分析不同前缘倾角不同速度的叶片撞击后鱼的存活率，并做了统计分析表。本文的数值模拟以文献16 的撞击实验为基础，构建一个长6 m、宽4m、高1.5m的长方体，内置9 0 75、6 0 45、30 共5个不同前缘倾角的叶片，叶片的前缘为10 cm厚的半圆形，如图2、3所示。在数值模拟中通过控制鱼体速度、撞击位置来进行鱼类撞击存活率预测，采用文献16 撞击实验的部分结果拟合导致鱼类死亡的撞击力模拟阈值，用另一部分实验结果做撞击存活率模拟结果的验证。在撞击实验中，用细线固定鱼体来确保撞击部位是鱼身体的中间部位，本文的模拟实验通过EDEM颗粒工厂来初设鱼体位置和朝向，鱼体在流场中受液流作用可以自由移动，在撞击前由于只受流场流向的作用力，在撞击时保证了撞击位置60出口7560045.30入口75运动方向9090叶片前缘倾角图2几何模型示意图Fig.2Geometric model diagram和朝向与实验值相同图3网格模型示意图Fig.3Grid model diagram研究表明，叶片前缘越厚，鱼的变形量越大，越能提高鱼受到撞击后的存活率13。本文选取鱼体长度与叶片前缘厚度的比值L/d=2，鱼体长度为20cm，与实验保持一致。使用EDEM软件通过组合多个球体建立鱼体外轮廓三维模型，由132 个半径为0.5cm球形颗粒捏合而成，见图4，鱼体模型的长、宽、厚度之比为8:2:1，为了达到鱼体悬浮状态，其密度与液流相同,均为10 0 0 kg/m。鱼体与壁面的碰撞参数简化处理为橡胶和钢，设置如下：鱼体与叶片或壁面间的撞击恢复系数为0.9 5，静摩擦因数为0.6 3，滚动摩擦因数为0.0 2图4鱼体颗粒模型（L=20cm）Fig.4Fish body particle model(L=20 cm)对标实验进行3组模拟，设置鱼体颗粒与液流速度相同，分别以速度7、10、12 m/s从进口向5个前缘倾角不同的叶片运动。Fluent时间步长为104s，ED EM 时间步长设置为10-5s,来满足耦合过程时间步长的设置要求。在流场人口处，每秒生成5个鱼体，鱼体位置对应5个叶片倾角且不互相影响，数值模拟总时长30 s，每个叶片前缘可提取超过10 0 次的鱼体撞击数据进行分析。2.2鱼体碰撞过程图5为撞击速度10 m/s时，鱼体与叶片前缘倾角9 0 的碰撞过程。该图描绘了鱼体在流场中游动时，整个碰撞过程前后速度、力、撞击力和合力的变化。鱼体刚进人流场时，流场对鱼体的曳力和鱼体受到的总力很小，鱼体在流场中匀速运动。在1.795s，鱼体的速度发生陡降，由10 m/s降到0.5m/s,并且有撞击力出现，根据这些因素可以判断小鱼在1.7 9 5s与叶片发生碰撞，此时出现的撞击力是小鱼与叶片第1次碰撞的撞击力，也是最大撞击力。图6 为撞击速度10 m/s时，叶片前缘倾角30 与鱼体的撞击过程。通过观察不同叶片前缘倾角与农2023年156报机学业械4000r712170074000总力3500颗粒速度3500电力106003000撞击力3000500825002500400N/4N/早2000620003001500150041000200100050025001000000-500-5001.7901.7921.7941.7961.7981.800时间/s图5鱼体撞击仿真性能参数变化曲线（10 m/s,叶片前缘倾角9 0）Fig.5Simulation performance parameter variation curves offish body strike(10 m/s,90blade angle)鱼体的撞击过程，可以发现随着叶片前缘倾角减小，鱼体受到的叶片撞击力显著减小。且随着叶片前缘倾角减小，鱼体受到的撞击情况变得复杂，一条鱼体会与叶片前缘发生多次碰撞。观察图6 中1.6 59 s，鱼体在第3次与叶片前缘碰撞时，受到的叶片撞击力变小，鱼体速度数值几乎不变，受到的曳力却显著增大。在撞击后鱼体速度继续下降，达到谷值后回升，曳力在这个过程中持续减小。分析上述现象可得，该鱼体颗粒在第3次撞击后，速度矢量发生明显变化，然后在流体电力的作用下，速度慢慢恢复。通过分析可得，叶片撞击对鱼体的运动轨迹有显著影响，在叶片前缘倾角小于45的情况下，碰撞还会改变小鱼的速度方向，小鱼受到的碰撞力也会显著减小。2000总力712700720001800颗粒速度1800电力1060016001600撞击力140050014008120040021200N/41000610003008008004600600200400400210020020000001-2001.652 1.6541.656 1.658 1.660 1.662 1.664 1.666时间/s图6鱼体撞击仿真性能参数变化曲线（10 m/s，叶片前缘倾角30）Fig.6 Simulation performance parameter variation curves offish body strike(10 m/s,30blade angle)2.3撞击存活率预测首先在液体流速10 m/s下，通过EDEM后处理软件，在鱼体与不同前缘倾角的叶片撞击过程中，对鱼体受到的最大撞击力进行提取。以某个数值的撞击力为阈值，当撞击力小于该力时，判定鱼体在此次撞击模拟中存活，得出此力下的鱼体撞击存活率。图7 为撞击速度10 m/s、叶片前缘倾角6 0 下模拟得到的10 0 条鱼体与叶片前缘的碰撞力极值，若设置红色线为撞击力阈值，则鱼体撞击后存活率为黑色点数占总点数的百分比3200撞击存活鱼体撞击死亡鱼体30002800260024002200200018000510152025时间/s图7鱼体碰撞力极值散点图（10 m/s，叶片前缘倾角6 0）Fig.7Strike force extremum of fish(10 m/s,60blade angle)以不同的撞击力为撞击存活阈值，计算出在该力下鱼体的撞击存活率。再通过与文献16 撞击实验中L/d=2、撞击速度10 m/s的鱼类存活率进行拟合，见表1,取与文献16 实验结果方差最小的撞击力，作为导致鱼类死亡的模拟撞击力阈值。撞击力模拟阈值取变化范围2 0 0 0 350 0 N，分别得到对应的鱼类存活率预测值，并与实验撞击存活率进行方差计算，见图8。可以看出，方差的变化趋势存在极小值0.0 0 8，此时对应的撞击力阈值为2 446 N。表1Amaral10m/s实验结果Tab.1Amaral 10 m/s experimental result叶片前缘倾角/（）速度/(ms-)L/d实验存活率/%3010298.04510295.06010265.07510260.09010226.80.50.40.30.20.10190021002300250027002900310033003500撞击力阈值/N图：撞击存活率预测值方差Fig.8Strike survival predictionvariance以撞击力2 446 N为导致L/d=2鱼类死亡的阈157张德胜等：基于鱼形颗粒群追踪的贯流泵鱼类撞击损伤特性研究第10 期值，对Amaral其他实验条件下的鱼类死亡率进行模拟预测，包括不同撞击速度、不同叶片前缘倾角及鱼体长度与叶片厚度之比L/d。将模拟结果与Amaral实验结果进行对比，见表2。表2模拟存活率与实验值对比Tab.2Simulated survival rate compared withexperimentalvalue叶片前缘速度/实验存活模拟存活L/d倾角/（）(msl)率/%率/%3072.010010030101.410010030121.483.289.130122.071.376.045121.46064.66072.010010060101.486.189.360121.415.718.260122.04.25.09072.0100100对比表2 可以看出：数值模拟对鱼类撞击叶片的存活率预测值与文献16 实验结果保持较高的一致性，误差均在5%以内。实验和模拟结果均表明：减小叶片前缘倾角、减小鱼体与叶片的相对撞击速度、增大叶片前缘厚度可以减小鱼类与叶片撞击时的撞击力，从而提高鱼类通过贯流泵过流部件的撞击存活率。综上，通过CFD-DEM耦合模型模拟鱼类运动，得到导致L/d=2鱼类死亡的撞击力阈值2446N具有一定的合理性，为下文贯流泵中预测鱼类通过存活率提供理论支持。3鱼类过泵撞击损伤特性3.1水力模型本节采用的模型泵是以某泵站水力模型为基础，通过减少叶片数、增加叶片前缘厚度和弯掠叶片的鱼类友好型设计，得到的生态友好型叶轮2 7 。贯流泵模型如图9 a所示，流体区域包括5部分：进水流道、叶片、导叶、灯泡体、出水流道。为保证流动的充分发展，设置进、出口延伸段长度均为叶轮外径的4倍，水泵具体参数见表3。叶轮通过弯掠叶片前缘设计来形成小于9 0 的叶片前缘倾角，从而减小鱼类通过叶轮过流部件的撞击损伤。贯流泵的过鱼模拟采用CFD-DEM耦合计算，所用模型网格如图9 b所示，考虑到模拟精度以及计算资源的合理分配，网格数为9.3110,网格无关性验证在文献2 7 中已开展。在贯流泵的设计工况下对鱼体进行鱼类过泵撞进水流道叶片灯泡体进口导叶出口出水流道（a）贯流泵模型计算域（b）叶轮域、导叶域网格示意图图9贯流泵模型与网格Fig.9Tubular pump model and grid表3贯流泵参数Tab.3Design parameters of tubularpump参数数值流量Q/(m.s)64转速/(rmin-1)85.7叶轮直径D/m4.3叶轮前缘厚度d/cm5叶轮前掠角/（）45叶轮包角6 2/(）168.5击损伤模拟。以叶轮旋转0.2 5作为一个时间步长，在流场人口处，设置EDEM颗粒工厂每秒生成10个鱼体，符合在EulerLa g r a n g i a n 法中固相体积分数小于10%的要求。鱼体颗粒从进口域均匀随机地跟随流体进入贯流泵流场运动，运动至出口域出口处自动移除。3.2鱼体运动轨迹图10 为两个鱼体在贯流泵过流部件的运动轨迹，红色是受到叶片前缘撞击的鱼体，蓝色是未受到叶片前缘撞击的鱼体。从图10 可以看出，在进人叶轮区域之前，鱼体随液流运动，重力和浮力相互抵消，只受到流场力作用，近似一条直线。当鱼体进入叶轮之后，未发生撞击的鱼体运动轨迹基本与液流流线保持一致；而受到撞击的鱼体速度矢量发生改变，产生径向和周向运动，增加鱼体与各部件壁面发生碰撞的概率，进一步导致鱼体的损伤。图10过流部件鱼体运动轨迹Fig.10Motion path of fish body through current component2023年农报机158学业械图11为鱼体与贯流泵叶片前缘的撞击过程。在t,时刻鱼体随液流运动，在t时刻鱼体与叶片前缘发生碰撞，运动轨迹发生变化，由于鱼体质心在碰撞点左侧，鱼体向叶片吸力面翻转，t和t,时刻鱼体翻转后继续与叶片表面发生多次碰撞。液流方向12t34图11叶片前缘撞击鱼体过程Fig.11Process of impingement of leading edge ofblade on fish3.3不同过流部件鱼类撞击受力分析在贯流泵的设计工况下，选取3条长度10 cm的鱼体的过泵运动来分析鱼类通过不同过流部件的撞击过程、受力损伤、流场曳力、速度等变化，鱼体长度与叶片前缘厚度的比值L/d取2。3条鱼体分别与叶轮过流部件、导叶过流部件、灯泡体过流部件发生撞击，将受到撞击的鱼体分别命名为鱼a、鱼b、鱼C。图12 a为鱼a与叶轮过流部件叶片前缘的碰撞过程。图中出现两次撞击力峰值，表明鱼a与叶轮过流部件的叶片前缘发生了两次撞击。撞击过程中鱼a受到的撞击力最大值为2 533N，已超过上文所得L/d=2鱼体撞击力死亡阈值2 446 N，因此可以判定鱼a与叶轮叶片撞击产生的撞击损伤严重导致鱼体死亡。图12 b为鱼b与导叶过流部件的碰撞过程。鱼体b在导叶过流部件运动过程中，只在3.9 3s出现撞击力的峰值116 8 N、速度的陡降、曳力的陡增，说明整个撞击过程中鱼b与导叶过流部件只发生了一次撞击，且撞击力较小，撞击力导致的撞击损伤不致命，鱼体b通过导叶过流部件仍保持存活状态。图12 c为鱼c与灯泡体过流部件的碰撞过程。鱼体c与灯泡体过流部件撞击过程中发生多次碰撞，轨迹变化也最为明显，但由于撞击速度较小受到的撞击力最小，鱼体损伤程度最小。通过比较3条鱼在不同过流部件的撞击力可以发现，通过叶轮过流部件的鱼体受到的撞击力最大，撞击损伤最严重，通过导叶过流部件鱼体运动受到的撞击力次数最少，通过灯泡体过流部件鱼体受到撞击力最小，鱼体损伤最小。3.4不同过流部件鱼类撞击损伤以相同的鱼体模型，在EDEM颗粒工厂设置等比例缩放来控制鱼体长度。在鱼体长度10 cm、3000777003000总力颗粒速度25006002500电力6撞击力500200020005N/早4001500N/415004总30010001000320050050010020005.8905.892 5.8945.8965.8985.900时间/s（a）鱼体与叶轮叶片前缘撞击过程总力6.030012001200颗粒速度5.5电力25010005.01000撞击力4.5200800800N/4早惠4.0N/4贸1506003.56003.01004004002.5200502002.0D01.5003.9243.9263.9283.9303.9323.9343.936时间/s（b）鱼体与导叶过流部件撞击过程70073.0750700总力颗粒速度600600电力2.540500撞击力500(r-5.w)/球4002.030400N/4300N/审300N/41.5202002001001.010100000.56.4086.4106.4126.4146.4166.4186.420时间/s（c）鱼体与灯泡体过流部件撞击过程图12鱼体与贯流泵撞击过程仿真性能参数变化曲线Fig.12Simulation performance parameter variation curves ofimpact process between fish and tubular pumpL/d=2条件下进行过泵损伤模拟，并统计所有鱼体的受力信息。通过上文模拟得出在L/d=2条件下鱼体的撞击死亡阈值为2 446 N,以该阈值为判定标准，统计50 条鱼在不同的过流部件中发生撞击的条数及占比，以及撞击产生后受力小于2 446 N的占比，见表4。得出模拟中L/d=2的鱼体通过贯流泵叶轮过流部件撞击概率为18%，撞击存活率为66.7%，综合鱼类存活率为9 4%，鱼类通过其他过流部件的碰撞死亡率近乎为0。从撞击力小于2446N的占比来看，叶轮造成的鱼类损伤最严重，导叶和灯泡体造成的鱼类碰撞损伤较低，3.5不同L/d鱼体撞击损伤为了分析在不同L/d条件下的鱼体撞击受力，通过不同鱼体长度来改变L/d的比值，图13和159张德胜等：基于鱼形颗粒群追踪的贯流泵鱼类撞击损伤特性研究第10 期表4鱼体通过贯流泵的碰撞比例（50 条鱼）Tab.4Strike ratio of fish through tubular pump(50 fish)发生撞击撞击力F.2 446 N总碰撞次数长度L/d碰撞次数占比/%L/cm叶轮区导叶灯泡体叶轮区导叶灯泡体20431286116.100408546510640.324.60.09综上可得，泵站来流中鱼体尺度越小，鱼体与贯流泵各部件的撞击概率越低；通过减小鱼体长度与叶片前缘厚度之比L/d，可以降低鱼类与叶轮过流部件发生碰撞时的撞击力来减小鱼体受到的撞击损伤，从而提高贯流泵的过鱼性能。4结论（1）通过CFD-DEM耦合方法预测鱼类撞击存活率并与文献16 撞击实验的结果对比，验证了数值模拟方法分析鱼类撞击损伤的可行性。（2）鱼体碰撞产生的撞击损伤与鱼体受到的撞击力有关，减小叶片前缘倾角、减小鱼体撞击速度、增大叶片前缘厚度，可降低鱼体与叶片前缘碰撞受力来降低鱼体的受力损伤，通过数值模拟与验证得出L/d=2的鱼类撞击力阈值为2 446 N。（3)统计L/d=2条件下鱼类通过叶轮过流部件的撞击存活率为6 6.7%；鱼类通过导叶、灯泡体过流部件的撞击存活率接近10 0%，叶轮部件是导致鱼类撞击损伤和死亡的最主要部件。（4)通过统计不同L/d下鱼体的碰撞受力，发现L/d比值由8 降低到4，鱼体通过叶轮过流部件碰撞受力超过2 446 N的占比降低2 4.2 个百分点，鱼体通过导叶过流部件碰撞受力超过2 446 N的占比降低24.6个百分点。L/d的比值与鱼体通过贯流泵发生碰撞的撞击概率以及撞击力显著相关。参考文献1关醒凡.现代泵技术手册M北京：宇航出版社，19 9 5.农2023年160机报学业械2杨春霞，郑源，张玉全，等鱼类友好型水轮机设计研究综述J.中国工程科学，2 0 18，2 0（3）：9 6 10 1.3KIM JH,AHN H J,KIM K Y.High-efficiency design of a mixed-flow pumpJ.Science in China Series E:TechnologicalSciences,2010,53(1):24.4CADA G,LOAR J,GARRISON L,et al.Efforts to reduce mortality to hydroelectric turbine-passed fish:locating andquantifying damaging shear stresses J.Environmental Management,2006,37(6):898-906.5ODEH M,SOMMERS G.New design concepts for fish friendly turbinesJ.International Journal on Hydropower&Dams,2000,7(3):64-70.6HOGAN J.The effects of high vacuum on fishJJ.Transactions of the American Fisheries Society,1941,70(1):469-474.7NEITZEL D A,RICHMOND M C,DAUBLE D D,et al.Laboratory studies on the effects of shear on fishR.Richland:Pacific Northwest National Laboratory,2000.8COOK T C,HECKER G E,AMARAL S V,et al.Final report-pilot scale tests alden/concepts NREC turbine RJ.Holden:USDepartment of Energy,Advanced Hydropower Turbine Systems Program Alden Research Laboratory.Inc.,2003.9VAN ESCH B P M.Fish injury and mortality during passage through pumping stations JJ.Journal of Fluids Engineering,2012,134(7):3412-3427.10VAN ESCH B P M,S