CFD引導(dǎo)魚類穿過危險(xiǎn)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(huì)(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(zhǎng)，25英尺高的愛德華茲大壩。

面對(duì)環(huán)境友好型政府，全國(guó)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(qiáng)大的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件來創(chuàng)建過山車的計(jì)算機(jī)模型，魚類通過旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)。

自動(dòng)化技術(shù)東部是東海岸領(lǐng)先的自動(dòng)化/機(jī)器人貿(mào)易展，提供微軟，IBM洛克希德馬丁等數(shù)百種最新的組件，控制器和取放器。

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(dòng)了改善水力發(fā)電環(huán)境兼容性的項(xiàng)目，以減少環(huán)保主義者和聯(lián)邦許可局的批評(píng)。”在我們開始之前，我們有很難理解渦輪機(jī)內(nèi)部對(duì)魚的壓力和載荷的影響。“

CFD模型為公司試驗(yàn)渦輪機(jī)設(shè)計(jì)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(duì)于典型的大河卡普蘭水輪機(jī)，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(qiáng)大的計(jì)算機(jī)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(gè)測(cè)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(jì)!Kaplan模型將傷害和死亡率降低40%。

該項(xiàng)目始于福伊特西門子水電獲得美國(guó)能源部的資助，并開始與佐治亞理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)家合作。出于這種關(guān)系，創(chuàng)建了一個(gè)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(cè)量其運(yùn)動(dòng)和作用于它的力。

“我們將魚的形狀簡(jiǎn)化為100到150個(gè)刻面的橢圓體，”他解釋道。“該計(jì)劃輸出魚類在通過渦輪機(jī)組件時(shí)的時(shí)間歷史和載荷數(shù)據(jù)。然后我們修改設(shè)計(jì)，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(xiǎn)。“我們看一下魚的長(zhǎng)度上的速度變化，因?yàn)樨?fù)荷可能會(huì)使鰓回流，撕裂膜或?qū)Ⅳ~彎曲到受傷點(diǎn)，”費(fèi)舍爾說。

其他危險(xiǎn)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(shí)，福伊特西門子水電工程師需要完成大量的計(jì)算工作。實(shí)際上，計(jì)算時(shí)間是一個(gè)問題 - 團(tuán)隊(duì)允許輪換葉片分析的250,000個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行1-3小時(shí)，而進(jìn)水的100萬個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行10-20小時(shí)。然后下游的尾水管又需要5-10個(gè)小時(shí)。

“真實(shí)的情況是，你可以分析整個(gè)渦輪機(jī)，并使用大量節(jié)點(diǎn)來獲得一個(gè)好的解決方案，你可以使用高功率超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算數(shù)月，以獲得一個(gè)點(diǎn)的解決方案。但我們?cè)跇I(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(jì)算模型足夠簡(jiǎn)單，以便將計(jì)算時(shí)間保持在10小時(shí)以內(nèi)，“費(fèi)舍爾說。計(jì)算每個(gè)操作點(diǎn)通常需要1-3個(gè)小時(shí)。“只要魚沒有游泳的傾向，我們對(duì)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(gè)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(mèng)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(duì)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(duì)使用AEA Technology(Waterloo，ONT)的CFX-TASCflow CFD軟件計(jì)算時(shí)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(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)入EnSight，這是一個(gè)用于分析和動(dòng)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(shí)，該程序使數(shù)據(jù)在動(dòng)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?cè)诖髩沃辛鲃?dòng)時(shí)的加速度和沖擊力。

“我們制作后處理器可視化軟件，動(dòng)畫可以告訴你你對(duì)模型不了解的事情，”CEI總裁Kent Misegades說。該計(jì)劃的挑戰(zhàn)之一是糾正魚比水重的事實(shí)。“就像一只蟲子飛進(jìn)你的擋風(fēng)玻璃，魚有一定的動(dòng)量，所以它們不會(huì)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(huì)得到答案。它高197英尺，長(zhǎng)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(jī)。這座大壩中典型的卡普蘭水輪機(jī)直徑為280英寸，以75轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋轉(zhuǎn)5個(gè)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(jī)的功率時(shí)，那些速度梯度不是開玩笑。大型卡普蘭渦輪機(jī)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(gè)大氣壓。

當(dāng)工程師處理這些巨大的壓力時(shí)，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(jī)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(jī)就像一個(gè)旋轉(zhuǎn)門，”費(fèi)舍爾說。“你寧愿經(jīng)歷一個(gè)緩慢的，大的，而不是一個(gè)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(gè)渦輪機(jī)中的一個(gè)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(jì)算機(jī)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(dòng)物。生物學(xué)家將活魚傳遞到帶有氣球的渦輪機(jī)上，這樣他們就能找到并檢查動(dòng)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(dòng)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(guó)家實(shí)驗(yàn)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(jì)，計(jì)算機(jī)和電池，所有這些都附有氣球標(biāo)簽。

與此同時(shí)，政治家和環(huán)保主義者將繼續(xù)爭(zhēng)取大壩的價(jià)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(guó)電力，約占全球電力的20%。由CFD建模人員來平衡國(guó)家的能源需求與水壩對(duì)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(gè)危險(xiǎn)是下游的水可以耗盡氧氣，即使對(duì)于沒有通過渦輪機(jī)的魚也會(huì)造成更多的捕食者危險(xiǎn)。某些水庫在夏季會(huì)產(chǎn)生急劇分層的水層，水壩通常會(huì)將這種底層水吸入水輪機(jī)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(jì)算的CFD流場(chǎng)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(dòng)流中，以計(jì)算變量，例如：氣泡運(yùn)動(dòng)，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(jī)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。