基于魚形顆粒群追蹤的貫流泵魚類撞擊損傷特性研究

張德勝 史科航 潘 強 施衛東

(1.江蘇大學流體機械工程技術研究中心, 鎮江 212013; 2.南通大學機械工程學院, 南通 226019)

0 引言

泵站在防洪、發電、灌溉、跨流域調水等方面有著不可替代的作用,然而也會對生態環境造成負面影響[1]。魚類在通過泵站時,與泵葉片碰撞造成高比例損傷或死亡,影響生物多樣性并導致局部生態環境污染;水庫大壩截斷江河,阻隔了魚類洄游通道,影響魚類的產卵繁殖[2]。近年來,國家越來越重視生態環境的保護問題,《中華人民共和國長江保護法》和《十四五水利科技創新規劃》明確指出保護水生生物及其洄游通道、研發水利工程過魚設施關鍵技術的重要性。由此,研究魚體撞擊損傷規律并提高泵站過魚的存活率對生態環境具有重要意義。

魚類通過水力機械時造成的損傷和死亡存在多種因素。研究人員通過大量的實驗研究發現,造成魚類損傷和死亡的主要因素是壓力波動、流體剪切力和機械損傷[3-5]。文獻[6]通過實驗發現不同魚種承受壓降的能力,有魚鰾的魚類存活率較高。文獻[7]通過實驗得到了魚類可承受的剪切速率閾值為500 s-1,且受魚種和魚體朝向的影響。文獻[8-10]通過CFD(計算流體力學)發現壓力波動及剪切速率僅在葉片前緣、轉輪室壁面等局部區域會對魚體造成損傷,證明葉片撞擊是魚類損傷死亡的最主要因素。文獻[11-12]進行大量的魚類與葉片的撞擊實驗,發現魚類損傷會隨著葉片加厚以及撞擊速度降低而減小。并建立了撞擊概率與魚體運動、魚體長度和葉片關系的模型。文獻[13-15]進行了大量的數值計算和活魚實驗,結果表明魚體與半圓形和加厚的葉片前緣碰撞時,可以使魚類先發生大的形變從而減弱撞擊力。隨后文獻[16]通過魚與葉片的撞擊實驗,發現葉片前緣厚度、葉片前緣傾角、撞擊速度以及魚受到的撞擊部位都是魚受到撞擊后影響存活率的重要因素。

通過實驗研究魚類撞擊損傷的操作復雜,實驗變量不易控制且成本高昂,通過數值模擬的方法來研究魚類經過水力機械的撞擊損傷與運動特性逐漸普遍。文獻[17-18]通過CFD技術與水輪機流場耦合模擬實驗,發現可以通過控制魚體進入流場入口的位置,來控制魚體通過水輪機葉片位置,魚體朝向是影響葉片撞擊模型的最主要因素,使用隨機的魚體朝向來計算撞擊概率可以提高結果的準確性。文獻[19]首次通過DEM(離散元法)軟件將魚體簡化為柱狀顆粒,來模擬魚體在潮汐輪機中的運動,統計魚體的撞擊概率,并引入回避率修正撞擊概率結果。文獻[20]通過沉浸邊界和流固耦合方法研究魚類運動,結果表明魚體撞擊損傷會隨泵站流量運行的增大而增大。文獻[21]通過流體力學計算與Actran軟件結合研究發現,軸流泵低流量運行易導致魚的聽覺系統受損。文獻[22]通過CFD模擬方法研究混流式水輪機流道對魚類的損傷,結果表明壓力損傷和剪切損傷概率與流量呈正相關,壓力損傷概率是主要原因。

本文基于CFD-DEM耦合模擬的方法,通過修改編譯傳統的耦合接口代碼,將魚體質點當作中心點,在其周圍選取多個流場點,采用矢量疊加的方法進行曳力計算。研究貫流泵中魚體與葉片及壁面撞擊后的運動行為及損傷特性,分析魚類撞擊死亡的影響因素,以期為魚類友好型水力機械優化設計提供參考依據。

1 數值模擬方法

1.1 流體控制方程

在模擬過程遵循流場內質量、動量和能量守恒,不考慮能量傳遞和耗散所涉及的溫度變化。流體視為不可壓縮連續介質,采用RANS方程求解。流體的控制方程表示為

(1)

(2)

式中ρf——流體密度,kg/m3

t——時間,s

p——壓力,Pa

g——重力加速度,m/s2

μf——流體動力粘度,Pa·s

μt——流體湍流粘度,Pa·s

F——其他作用力作用的合力,N

1.2 魚形顆粒運動方程

魚體在流場中不會自主運動,只受到流場的作用力。根據牛頓第二運動定律,魚形顆粒群求解方程式表示為

(3)

(4)

式中mp——顆粒質量,kg

up——魚體顆粒速度,m/s

Fd——流場對魚體顆粒作用的曳力,N

Fg——粒子重力和浮力的總和,N

Fc——魚類顆粒群間撞擊產生的接觸力,N

Ip——轉動慣量,kg·m2

ωp——顆粒角速度,rad/s

Tf——流體力轉矩,N·m

Tt——切向力轉矩,N·m

Tr——滾動摩擦力轉矩,N·m

Fd根據文獻[23]提出的非球形顆粒的曳力模型來計算。但該公式只適用于顆粒體積小于網格體積的情況,以顆粒質心點所在網格的流場速度來代替顆粒受到的流場速度。由于本文顆粒模型尺寸遠大于網格尺寸,且在流場中的運動方向隨機,此時只選用顆粒質心所在網格的流場速度不能代替顆粒模型受到的曳力。本文通過修改耦合接口代碼,在顆粒模型周圍選取多個流體速度。如圖1所示,以顆粒質心為中心,沿x、y、z正負軸以0.5倍和0.25倍魚體的長度取點,加上顆粒質心處點共取13個,用這些點的流場速度通過矢量疊加取平均值的方法代入非球形曳力模型計算得出曳力。

圖1 優化曳力計算取點示意圖Fig.1 Schematic of optimal drag calculation points

(5)

(6)

(7)

b1=exp(2.328 8-6.458 1φ+2.448 6φ2)

(8)

b2=0.096 4+0.556 5φ

(9)

b3=exp(4.905-13.894 4φ+18.422 2φ2-
10.259 9φ3)

(10)

b4=exp(1.468 1+12.258 4φ-20.732 2φ2+
15.885 5φ3)

(11)

式中up——魚體顆粒在流場中的速度,m/s

ufi——魚體顆粒周圍選取的多個流場速度,m/s

n——計算曳力時選取的流體速度點數,取13

dp——顆粒直徑,m

φ——顆粒球形度,球形顆粒表面積與同體積非球形顆粒表面積之比

Fg為魚體顆粒在流場中受到的重力和浮力總和,計算公式為

(12)

式中ρp——魚體顆粒密度,kg/m3

Fc為魚類顆粒群間撞擊產生的接觸力,包括法向分量Fcn和切向分量Fct。由文獻[24]提出的軟球接觸模型求解,即

Fc=Fcn+Fct

(13)

其中

Fcn=-knδnn-γn(urn)n

(14)

Fct=-ktδtt-γt[(urt)t+(ωpiri-ωpjr)]

(15)

式中n——法向單位向量

t——切向單位向量

r——顆粒質心到碰撞接觸點的矢量

ur——碰撞中顆粒i和顆粒j的相對速度

k——顆粒彈性剛度

γ——阻尼系數

δ——碰撞對之間的位移

流體對旋轉顆粒的轉矩Tf使用文獻[25]的表達式,旋轉系數CR由文獻[25-26]的直接模擬得到,計算公式為

(16)

(17)

(18)

(19)

式中ωf-p——流體和顆粒之間的相對角速度

CR——滑移-剪切升力系數

ReR——旋轉雷諾數

切向力轉矩Tt、滾動摩擦力轉矩Tr計算公式為

Tt=rFct

(20)

(21)

Fn=-knδnn

(22)

式中μr——滾動摩擦因數

R——與魚形顆粒等體積的小球半徑

1.3 流場-魚體耦合

為了模擬魚類在流場中的運動過程,通過歐拉-拉格朗日模型進行雙向耦合,使用RANS方法處理流體相,使用DEM方法來描述顆粒的運動,捕捉每個顆粒運動和碰撞等信息。計算過程可歸納為:Fluent先進行單個時間步的計算,EDEM通過耦合接口,獲取Fluent中的流場信息,計算顆粒所受的流體力、轉矩、碰撞力等,更新顆粒運動狀態,再將計算得到的顆粒位置、反作用力等通過耦合接口傳遞給Fluent,Fluent根據這些信息繼續進行時間步計算,從而形成DEM顆粒與Fluent流場信息的相互傳遞。

模擬過程的具體設置如下:采用Fluent軟件求解模型內的不可壓三維定常流動,EDEM軟件模擬魚體顆粒在流場的運動受力,通過耦合接口實現流場、魚體運動信息的相互傳遞。Fluent中采用標準k-ε模型計算,模型進口設置為速度入口,假定5%的中等湍流強度,出口設置為壓力出口。模擬中將固體壁面設置為光滑、無滑移壁面。在EDEM中選擇 Hertz-Mindlin(no slip) with RVD Rolling Friction 作為顆粒與壁面間以及顆粒間的相互作用計算模型。耦合設置中選用Euler-Lagrangian作為耦合方法,選用修改的曳力模型作為魚體曳力計算方法,設置sample points值為100,增加模擬過程的穩定性。

2 物理模型與實驗驗證

2.1 幾何模型建立

文獻[16]開展了魚類平板撞擊的存活率實驗,設計有5個不同前緣傾角的特殊葉片,通過控制該葉片以不同速度、不同葉片前緣傾角撞擊被麻醉后用細線固定好頭尾的魚體,在葉片撞擊后,魚體可以在水箱中自由運動。以此來分析不同前緣傾角不同速度的葉片撞擊后魚的存活率,并做了統計分析表。本文的數值模擬以文獻[16]的撞擊實驗為基礎,構建一個長6 m、寬4 m、高1.5 m的長方體,內置90°、75°、60°、45°、30°共5個不同前緣傾角的葉片,葉片的前緣為10 cm厚的半圓形,如圖2、3所示。在數值模擬中通過控制魚體速度、撞擊位置來進行魚類撞擊存活率預測,采用文獻[16]撞擊實驗的部分結果擬合導致魚類死亡的撞擊力模擬閾值,用另一部分實驗結果做撞擊存活率模擬結果的驗證。在撞擊實驗中,用細線固定魚體來確保撞擊部位是魚身體的中間部位,本文的模擬實驗通過EDEM顆粒工廠來初設魚體位置和朝向,魚體在流場中受液流作用可以自由移動,在撞擊前由于只受流場流向的作用力,在撞擊時保證了撞擊位置和朝向與實驗值相同。

圖2 幾何模型示意圖Fig.2 Geometric model diagram

圖3 網格模型示意圖Fig.3 Grid model diagram

研究表明,葉片前緣越厚,魚的變形量越大,越能提高魚受到撞擊后的存活率[13]。本文選取魚體長度與葉片前緣厚度的比值L/d=2,魚體長度為20 cm,與實驗保持一致。使用EDEM軟件通過組合多個球體建立魚體外輪廓三維模型,由132個半徑為0.5 cm球形顆粒捏合而成,見圖4,魚體模型的長、寬、厚度之比為8∶2∶1,為了達到魚體懸浮狀態,其密度與液流相同,均為1 000 kg/m3。魚體與壁面的碰撞參數簡化處理為橡膠和鋼,設置如下:魚體與葉片或壁面間的撞擊恢復系數為0.95,靜摩擦因數為0.63,滾動摩擦因數為0.02。

圖4 魚體顆粒模型(L=20 cm)Fig.4 Fish body particle model(L=20 cm)

對標實驗進行3組模擬,設置魚體顆粒與液流速度相同,分別以速度7、10、12 m/s從進口向5個前緣傾角不同的葉片運動。Fluent時間步長為 10-4s, EDEM時間步長設置為10-5s,來滿足耦合過程時間步長的設置要求。在流場入口處,每秒生成5個魚體,魚體位置對應5個葉片傾角且不互相影響,數值模擬總時長30 s,每個葉片前緣可提取超過100次的魚體撞擊數據進行分析。

2.2 魚體碰撞過程

圖5為撞擊速度10 m/s時,魚體與葉片前緣傾角90°的碰撞過程。該圖描繪了魚體在流場中游動時,整個碰撞過程前后速度、曳力、撞擊力和合力的變化。魚體剛進入流場時,流場對魚體的曳力和魚體受到的總力很小,魚體在流場中勻速運動。在1.795 s,魚體的速度發生陡降,由10 m/s降到0.5 m/s,并且有撞擊力出現,根據這些因素可以判斷小魚在1.795 s與葉片發生碰撞,此時出現的撞擊力是小魚與葉片第1次碰撞的撞擊力,也是最大撞擊力。

圖5 魚體撞擊仿真性能參數變化曲線(10 m/s,葉片前緣傾角90°)Fig.5 Simulation performance parameter variation curves of fish body strike (10 m/s, 90° blade angle)

圖6為撞擊速度10 m/s時,葉片前緣傾角30°與魚體的撞擊過程。通過觀察不同葉片前緣傾角與魚體的撞擊過程,可以發現隨著葉片前緣傾角減小,魚體受到的葉片撞擊力顯著減小。且隨著葉片前緣傾角減小,魚體受到的撞擊情況變得復雜,一條魚體會與葉片前緣發生多次碰撞。觀察圖6中1.659 s,魚體在第3次與葉片前緣碰撞時,受到的葉片撞擊力變小,魚體速度數值幾乎不變,受到的曳力卻顯著增大。在撞擊后魚體速度繼續下降,達到谷值后回升,曳力在這個過程中持續減小。分析上述現象可得,該魚體顆粒在第3次撞擊后,速度矢量發生明顯變化,然后在流體曳力的作用下,速度慢慢恢復。通過分析可得,葉片撞擊對魚體的運動軌跡有顯著影響,在葉片前緣傾角小于45°的情況下,碰撞還會改變小魚的速度方向,小魚受到的碰撞力也會顯著減小。

圖6 魚體撞擊仿真性能參數變化曲線(10 m/s,葉片前緣傾角30°)Fig.6 Simulation performance parameter variation curves of fish body strike (10 m/s, 30° blade angle)

2.3 撞擊存活率預測

首先在液體流速10 m/s下,通過EDEM后處理軟件,在魚體與不同前緣傾角的葉片撞擊過程中,對魚體受到的最大撞擊力進行提取。以某個數值的撞擊力為閾值,當撞擊力小于該力時,判定魚體在此次撞擊模擬中存活,得出此力下的魚體撞擊存活率。圖7為撞擊速度10 m/s、葉片前緣傾角60°下模擬得到的100條魚體與葉片前緣的碰撞力極值,若設置紅色線為撞擊力閾值,則魚體撞擊后存活率為黑色點數占總點數的百分比。

圖7 魚體碰撞力極值散點圖(10 m/s,葉片前緣傾角60°)Fig.7 Strike force extremum of fish (10 m/s, 60° blade angle)

以不同的撞擊力為撞擊存活閾值,計算出在該力下魚體的撞擊存活率。再通過與文獻[16]撞擊實驗中L/d=2、撞擊速度10 m/s的魚類存活率進行擬合,見表1,取與文獻[16]實驗結果方差最小的撞擊力,作為導致魚類死亡的模擬撞擊力閾值。撞擊力模擬閾值取變化范圍2 000～3 500 N,分別得到對應的魚類存活率預測值,并與實驗撞擊存活率進行方差計算,見圖8?？梢钥闯?方差的變化趨勢存在極小值0.008,此時對應的撞擊力閾值為2 446 N。

表1 Amaral 10 m/s實驗結果Tab.1 Amaral 10 m/s experimental result

圖8 撞擊存活率預測值方差Fig.8 Strike survival prediction variance

以撞擊力2 446 N為導致L/d=2魚類死亡的閾值,對Amaral其他實驗條件下的魚類死亡率進行模擬預測,包括不同撞擊速度、不同葉片前緣傾角及魚體長度與葉片厚度之比L/d。將模擬結果與Amaral實驗結果進行對比,見表2。

表2 模擬存活率與實驗值對比Tab.2 Simulated survival rate compared with experimental value

對比表2可以看出:數值模擬對魚類撞擊葉片的存活率預測值與文獻[16]實驗結果保持較高的一致性,誤差均在5%以內。實驗和模擬結果均表明:減小葉片前緣傾角、減小魚體與葉片的相對撞擊速度、增大葉片前緣厚度可以減小魚類與葉片撞擊時的撞擊力,從而提高魚類通過貫流泵過流部件的撞擊存活率。綜上,通過CFD-DEM耦合模型模擬魚類運動,得到導致L/d=2魚類死亡的撞擊力閾值2 446 N具有一定的合理性,為下文貫流泵中預測魚類通過存活率提供理論支持。

3 魚類過泵撞擊損傷特性

3.1 水力模型

本節采用的模型泵是以某泵站水力模型為基礎,通過減少葉片數、增加葉片前緣厚度和彎掠葉片的魚類友好型設計,得到的生態友好型葉輪[27]。貫流泵模型如圖9a所示,流體區域包括5部分:進水流道、葉片、導葉、燈泡體、出水流道。為保證流動的充分發展,設置進、出口延伸段長度均為葉輪外徑的4倍,水泵具體參數見表3。葉輪通過彎掠葉片前緣設計來形成小于 90°的葉片前緣傾角,從而減小魚類通過葉輪過流部件的撞擊損傷。貫流泵的過魚模擬采用CFD-DEM耦合計算,所用模型網格如圖9b所示,考慮到模擬精度以及計算資源的合理分配,網格數為9.31×106,網格無關性驗證在文獻[27]中已開展。

圖9 貫流泵模型與網格Fig.9 Tubular pump model and grid

在貫流泵的設計工況下對魚體進行魚類過泵撞擊損傷模擬。以葉輪旋轉0.25°作為一個時間步長,在流場入口處,設置EDEM顆粒工廠每秒生成10個魚體,符合在Euler-Lagrangian 法中固相體積分數小于 10%的要求。魚體顆粒從進口域均勻隨機地跟隨流體進入貫流泵流場運動,運動至出口域出口處自動移除。

3.2 魚體運動軌跡

圖10為兩個魚體在貫流泵過流部件的運動軌跡,紅色是受到葉片前緣撞擊的魚體,藍色是未受到葉片前緣撞擊的魚體。從圖10可以看出,在進入葉輪區域之前,魚體隨液流運動,重力和浮力相互抵消,只受到流場力作用,近似一條直線。當魚體進入葉輪之后,未發生撞擊的魚體運動軌跡基本與液流流線保持一致;而受到撞擊的魚體速度矢量發生改變,產生徑向和周向運動,增加魚體與各部件壁面發生碰撞的概率,進一步導致魚體的損傷。

圖10 過流部件魚體運動軌跡Fig.10 Motion path of fish body through current component

圖11為魚體與貫流泵葉片前緣的撞擊過程。在t1時刻魚體隨液流運動,在t2時刻魚體與葉片前緣發生碰撞,運動軌跡發生變化,由于魚體質心在碰撞點左側,魚體向葉片吸力面翻轉,t4和t5時刻魚體翻轉后繼續與葉片表面發生多次碰撞。

圖11 葉片前緣撞擊魚體過程Fig.11 Process of impingement of leading edge of blade on fish

3.3 不同過流部件魚類撞擊受力分析

在貫流泵的設計工況下,選取3條長度10 cm的魚體的過泵運動來分析魚類通過不同過流部件的撞擊過程、受力損傷、流場曳力、速度等變化,魚體長度與葉片前緣厚度的比值L/d取2。3條魚體分別與葉輪過流部件、導葉過流部件、燈泡體過流部件發生撞擊,將受到撞擊的魚體分別命名為魚a、魚b、魚c。

圖12a為魚a與葉輪過流部件葉片前緣的碰撞過程。圖中出現兩次撞擊力峰值,表明魚a與葉輪過流部件的葉片前緣發生了兩次撞擊。撞擊過程中魚a受到的撞擊力最大值為2 533 N,已超過上文所得L/d=2魚體撞擊力死亡閾值2 446 N,因此可以判定魚a與葉輪葉片撞擊產生的撞擊損傷嚴重導致魚體死亡。

圖12 魚體與貫流泵撞擊過程仿真性能參數變化曲線Fig.12 Simulation performance parameter variation curves of impact process between fish and tubular pump

圖12b為魚b與導葉過流部件的碰撞過程。魚體b在導葉過流部件運動過程中,只在3.93 s出現撞擊力的峰值1 168 N、速度的陡降、曳力的陡增,說明整個撞擊過程中魚b與導葉過流部件只發生了一次撞擊,且撞擊力較小,撞擊力導致的撞擊損傷不致命,魚體b通過導葉過流部件仍保持存活狀態。

圖12c為魚c與燈泡體過流部件的碰撞過程。魚體c與燈泡體過流部件撞擊過程中發生多次碰撞,軌跡變化也最為明顯,但由于撞擊速度較小受到的撞擊力最小,魚體損傷程度最小。

通過比較3條魚在不同過流部件的撞擊力可以發現,通過葉輪過流部件的魚體受到的撞擊力最大,撞擊損傷最嚴重,通過導葉過流部件魚體運動受到的撞擊力次數最少,通過燈泡體過流部件魚體受到撞擊力最小,魚體損傷最小。

3.4 不同過流部件魚類撞擊損傷

以相同的魚體模型,在EDEM顆粒工廠設置等比例縮放來控制魚體長度。在魚體長度10 cm、L/d=2條件下進行過泵損傷模擬,并統計所有魚體的受力信息。通過上文模擬得出在L/d=2條件下魚體的撞擊死亡閾值為2 446 N,以該閾值為判定標準,統計50條魚在不同的過流部件中發生撞擊的條數及占比,以及撞擊產生后受力小于2 446 N的占比,見表4。得出模擬中L/d=2的魚體通過貫流泵葉輪過流部件撞擊概率為18%,撞擊存活率為66.7%,綜合魚類存活率為94%,魚類通過其他過流部件的碰撞死亡率近乎為0。從撞擊力小于2 446 N的占比來看,葉輪造成的魚類損傷最嚴重,導葉和燈泡體造成的魚類碰撞損傷較低。

表4 魚體通過貫流泵的碰撞比例 (50條魚)Tab.4 Strike ratio of fish through tubular pump (50 fish)

3.5 不同L/d魚體撞擊損傷

為了分析在不同L/d條件下的魚體撞擊受力,通過不同魚體長度來改變L/d的比值,圖13和圖14分別為50條魚體在L/d=4和L/d=8的條件下,通過葉輪、導葉和燈泡體3個過流部件的撞擊位置、撞擊力極值統計圖。通過比較不同過流部件的撞擊力,發現魚體在葉輪區域受到的平均撞擊力最大,在燈泡體區域受到的平均撞擊力最小,葉輪撞擊對魚類存活的威脅最大。魚體通過葉輪區域時,發生碰撞的位置包括魚體頭部、腹部或尾部與葉片前緣、葉片表面、葉輪輪轂撞擊等,結果表明:魚體與葉片前緣撞擊時,魚體受到的撞擊損傷最高;L/d=8的魚體受到葉片前緣的撞擊力高于L/d=4的魚體,說明L/d的變大會導致更高的魚體撞擊損傷。

圖13 L/d=4的魚體通過不同過流部件撞擊力Fig.13 Strike force of fish body with L/d=4 through different flow parts

圖14 L/d=8的魚體通過不同過流部件撞擊力Fig.14 Strike force of fish body with L/d=8 through different flow parts

統計L/d=4和L/d=8的魚體通過不同過流部件發生的撞擊次數,見表5?？梢园l現L/d=8的魚體在所有過流部件中的撞擊次數均高于L/d=4的魚體,L/d的取值與撞擊概率顯著相關[28]。在葉輪過流部件中,L/d=8魚體的碰撞力超過2 446 N的碰撞次數占比為40.3%,遠高于L/d=4魚體的占比16.1%,L/d變大,魚體碰撞受力超過2 446 N的占比變大。此外結合圖13、14發現,L/d=8的魚體在葉輪葉片前緣處發生撞擊次數接近L/d=4的魚體的兩倍,葉片前緣撞擊次數與L/d的比值成正比[10]。

表5 魚體通過貫流泵的撞擊次數(50條魚)Tab.5 Number of fish body hits through tubular pump (50 fish)

綜上可得,泵站來流中魚體尺度越小,魚體與貫流泵各部件的撞擊概率越低;通過減小魚體長度與葉片前緣厚度之比L/d,可以降低魚類與葉輪過流部件發生碰撞時的撞擊力來減小魚體受到的撞擊損傷,從而提高貫流泵的過魚性能。

4 結論

(1)通過CFD-DEM耦合方法預測魚類撞擊存活率并與文獻[16]撞擊實驗的結果對比,驗證了數值模擬方法分析魚類撞擊損傷的可行性。

(2)魚體碰撞產生的撞擊損傷與魚體受到的撞擊力有關,減小葉片前緣傾角、減小魚體撞擊速度、增大葉片前緣厚度,可降低魚體與葉片前緣碰撞受力來降低魚體的受力損傷,通過數值模擬與驗證得出L/d=2的魚類撞擊力閾值為2 446 N。

(3)統計L/d=2條件下魚類通過葉輪過流部件的撞擊存活率為66.7%;魚類通過導葉、燈泡體過流部件的撞擊存活率接近100%,葉輪部件是導致魚類撞擊損傷和死亡的最主要部件。

(4)通過統計不同L/d下魚體的碰撞受力,發現L/d比值由8降低到4,魚體通過葉輪過流部件碰撞受力超過2 446 N的占比降低24.2個百分點,魚體通過導葉過流部件碰撞受力超過2 446 N的占比降低24.6個百分點。L/d的比值與魚體通過貫流泵發生碰撞的撞擊概率以及撞擊力顯著相關。