CFD引導(dǎo)魚類穿過危險的水域

1837年，緬因州奧古斯塔的紡織工廠在肯納貝克河上建造了一座大壩，用于輸送流體力學(xué)。1913年，它被轉(zhuǎn)換為水力發(fā)電。1997年，聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(FERC)將大壩的3.5兆瓦產(chǎn)量與產(chǎn)卵大西洋鮭魚，鯡魚，鯡魚，鱸魚，鱘魚，魷魚和鰻魚的封鎖通道進(jìn)行了比較。FERC支持魚類，1999年7月1日，緬因州摧毀了917英尺長，25英尺高的愛德華茲大壩。

面對環(huán)境友好型政府，全國各地的水電公司正在尋找方法讓遷徙魚類安全上下河流。其中一家公司正在使用功能強大的計算流體動力學(xué)軟件來創(chuàng)建過山車的計算機模型，魚類通過旋轉(zhuǎn)渦輪機。

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福伊特西門子水電發(fā)電公司技術(shù)副總裁Richard K. Fisher Jr.說：“我們啟動了改善水力發(fā)電環(huán)境兼容性的項目，以減少環(huán)保主義者和聯(lián)邦許可局的批評。”在我們開始之前，我們有很難理解渦輪機內(nèi)部對魚的壓力和載荷的影響。“

CFD模型為公司試驗渦輪機設(shè)計提供了一種新方法，并為遷移魚類提供了更溫和的環(huán)境。

福伊特西門子水電公司表示，對于典型的大河卡普蘭水輪機，通過大壩下游的魚的存活率為88-92%。另外3-5%可能受傷，容易被捕食。但憑借其強大的計算機模型的結(jié)果，福伊特西門子水電公司聲稱在俄勒岡州的一個測試大壩減少了魚的傷害，使用了一種名為Efishent的新型渦輪轉(zhuǎn)子設(shè)計!Kaplan模型將傷害和死亡率降低40%。

該項目始于福伊特西門子水電獲得美國能源部的資助，并開始與佐治亞理工學(xué)院的計算機科學(xué)家合作。出于這種關(guān)系，創(chuàng)建了一個名為Virtual Fish的程序?，F(xiàn)在，他們可以將這條虛擬魚發(fā)射到水流的CFD模型中，并測量其運動和作用于它的力。

“我們將魚的形狀簡化為100到150個刻面的橢圓體，”他解釋道。“該計劃輸出魚類在通過渦輪機組件時的時間歷史和載荷數(shù)據(jù)。然后我們修改設(shè)計，尋求降低負(fù)荷。”

他們很快就了解到剪切或速度梯度比進(jìn)入墻壁或被渦輪葉片切片更危險。“我們看一下魚的長度上的速度變化，因為負(fù)荷可能會使鰓回流，撕裂膜或?qū)Ⅳ~彎曲到受傷點，”費舍爾說。

其他危險包括水中旋渦，這可能導(dǎo)致魚頭暈和迷失方向，成為下游掠食者的易捕食者。

當(dāng)您將所有變量相加時，福伊特西門子水電工程師需要完成大量的計算工作。實際上，計算時間是一個問題 - 團(tuán)隊允許輪換葉片分析的250,000個節(jié)點運行1-3小時，而進(jìn)水的100萬個節(jié)點運行10-20小時。然后下游的尾水管又需要5-10個小時。

“真實的情況是，你可以分析整個渦輪機，并使用大量節(jié)點來獲得一個好的解決方案，你可以使用高功率超級計算機計算數(shù)月，以獲得一個點的解決方案。但我們在業(yè)務(wù)現(xiàn)在找到工程解決方案，所以我們必須保持我們的計算模型足夠簡單，以便將計算時間保持在10小時以內(nèi)，“費舍爾說。計算每個操作點通常需要1-3個小時。“只要魚沒有游泳的傾向，我們對魚的位置就有80-90%的正確率，”他說。

“虛擬的魚沒有自由意志。它就像一個惰性的木質(zhì)橢圓體，由水?dāng)y帶。但我們可以確定作用于它的力。我們的夢想之一就是將一些虛擬生命編入其中，這樣它就可以進(jìn)入應(yīng)對這些力量，壓力和加速度。但在我們這樣做之前，我們有足夠的挑戰(zhàn)減少負(fù)荷。“

該團(tuán)隊使用AEA Technology(Waterloo，ONT)的CFX-TASCflow CFD軟件計算時間平均粘性3D流量。然后他們將Virtual Fish模型發(fā)布到該網(wǎng)格中。最后，他們將計算數(shù)據(jù)導(dǎo)入EnSight，這是一個用于分析和動畫CFD問題的程序，來自Computational Engineering International(Morrisville，NC)。當(dāng)用戶佩戴立體護(hù)目鏡時，該程序使數(shù)據(jù)在動畫，立體3D模擬中可見。并且EnSight生成魚網(wǎng)被釋放的網(wǎng)格，繪制它們在大壩中流動時的加速度和沖擊力。

“我們制作后處理器可視化軟件，動畫可以告訴你你對模型不了解的事情，”CEI總裁Kent Misegades說。該計劃的挑戰(zhàn)之一是糾正魚比水重的事實。“就像一只蟲子飛進(jìn)你的擋風(fēng)玻璃，魚有一定的動量，所以它們不會跟隨確切的水流，”他說。

你如何處理所有這些數(shù)據(jù)?它真的有助于魚嗎?

位于俄勒岡州波特蘭以東40英里的哥倫比亞河上的邦納維爾大壩可能會得到答案。它高197英尺，長2,690英尺，使緬因州的小型水壩相形見絀，這些水壩使用直徑為48英寸的渦輪機。這座大壩中典型的卡普蘭水輪機直徑為280英寸，以75轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋轉(zhuǎn)5個葉片，排放13,600立方英尺。排放率為16,000 cfs，產(chǎn)生60,000馬力，約為44,760 mW。

當(dāng)你看到旋轉(zhuǎn)渦輪機的功率時，那些速度梯度不是開玩笑。大型卡普蘭渦輪機采用CA6NM制造，鑄造不銹鋼，含13%鉻和4%鎳。葉片也在輪轂內(nèi)旋轉(zhuǎn)，角度從15-30度改變。哥倫比亞河Kaplans在河流上游水的高度處處理80-120英尺的“水頭”，產(chǎn)生的壓力范圍高達(dá)3-5個大氣壓。

當(dāng)工程師處理這些巨大的壓力時，工程師能改變多少?使用先進(jìn)的CFD，福伊特西門子水電工程師創(chuàng)造了最小間隙軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪(MGR)，它盡可能縮小渦輪葉片和墻壁之間的間隙，最大限度地減少湍流和速度梯度。這也稱為Efishent(TM)Kaplan模型。

“通過渦輪機就像一個旋轉(zhuǎn)門，”費舍爾說。“你寧愿經(jīng)歷一個緩慢的，大的，而不是一個快速的，小的。特別是如果你在黑暗中奔跑!”

在邦納維爾，大壩的10個渦輪機中的一個已被MGR取代，早期的結(jié)果很好。(參見附圖)但隨著工程師努力改進(jìn)計算機模型，工作仍在繼續(xù)。

接下來的步驟之一是更好地將虛擬魚校準(zhǔn)為真正的動物。生物學(xué)家將活魚傳遞到帶有氣球的渦輪機上，這樣他們就能找到并檢查動物。饑餓的海鷗經(jīng)常在研究人員到達(dá)它們之前抓住茫然，疲憊，浮動的魚，因此它們也必須嚇跑或射擊海鷗。

校準(zhǔn)的另一種方法是來自太平洋西北國家實驗室(位于華盛頓州里奇蘭)的新型“碰撞假魚”，這是一種6英寸橡膠儀表魚模型，帶有板載壓力傳感器，加速度計，計算機和電池，所有這些都附有氣球標(biāo)簽。

與此同時，政治家和環(huán)保主義者將繼續(xù)爭取大壩的價值。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)的水力發(fā)電產(chǎn)生約10%的美國電力，約占全球電力的20%。由CFD建模人員來平衡國家的能源需求與水壩對環(huán)境的影響。

該技術(shù)的其他應(yīng)用

除了旋轉(zhuǎn)葉片本身之外，水壩周圍的魚類的另一個危險是下游的水可以耗盡氧氣，即使對于沒有通過渦輪機的魚也會造成更多的捕食者危險。某些水庫在夏季會產(chǎn)生急劇分層的水層，水壩通常會將這種底層水吸入水輪機進(jìn)水口。

因此福伊特西門子水電和田納西河流域管理局正在使用預(yù)先計算的CFD流場來應(yīng)用喬治亞理工學(xué)院開發(fā)的名為“虛擬氣泡”的軟件代碼，F(xiàn)isher說。以與Virtual Fish類似的方式，將虛擬氣泡作為后處理器釋放到模擬流動流中，以計算變量，例如：氣泡運動，穿過氣水膜的氣體傳遞，氣泡破裂和壓力影響。氣泡大小。

該軟件用于開發(fā)渦輪機以“通氣”水以增加大壩排放中的溶解氧水平，因此生活在下游的魚有更好的棲息地。