一种基于射流泵供水诱鱼的方法
阅读说明：本技术 一种基于射流泵供水诱鱼的方法 (Method for attracting fish by supplying water based on jet pump ) 是由 侯轶群 龙新平 李德旺 龚昱田 蔡露 陶江平 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于射流泵供水诱鱼的方法,包括射流泵和供水管道,供水管道的一端置于拦水坝前上游河道内,利用中高水头坝体所提供的高压水流,将水体引入射流泵,通过射流泵工作管的高压小流量水流抽吸下游尾水,通过流体混合管和扩散管后转换为低压的大流量水流,形成吸引鱼类洄游的流速流量条件,具体步骤包括根据诱鱼所需的诱鱼流场确定射流泵要提供的出口流量和出口流速,根据求出的射流泵的喉管与喷嘴的面积比、射流泵的工作管和吸入口的设计流量等参数设计合适的射流泵,射流泵的出口流场应用于为诱鱼提供诱鱼所需的流场,该射流泵不凭借外界能源输入供给工作流体,节约了能源,有效地解决直接在拦河坝下游通过离心泵制造低速且高流量的诱鱼水流时能耗过高的问题。(The invention discloses a method for water-supplying fish luring based on a jet pump, which comprises the jet pump and a water supply pipeline, wherein one end of the water supply pipeline is arranged in an upstream riverway in front of a check dam, a water body is introduced into the jet pump by utilizing high-pressure water flow provided by a dam body with a medium-high water head, downstream tail water is sucked by high-pressure small-flow water flow of a working pipe of the jet pump, and is converted into low-pressure large-flow water flow after passing through a fluid mixing pipe and a diffusion pipe to form a flow velocity and flow rate condition for attracting fish migration, the specific steps comprise determining outlet flow and outlet flow velocity to be provided by the jet pump according to a fish luring flow field required by fish luring, designing a proper jet pump according to the calculated area ratio of a throat pipe and a nozzle of the jet pump, the design flow rates of the working pipe and a suction inlet of the jet pump and the like, the outlet flow field of the jet pump is applied to provide an external flow field required by fish luring for the fish luring, and the jet pump does not input working fluid by energy, the energy is saved, and the problem of overhigh energy consumption when the low-speed and high-flow fish luring water flow is directly manufactured at the downstream of the barrage through a centrifugal pump is effectively solved.)
技术领域
本发明涉及设有大坝的游鱼流场的技术领域，特别涉及一种基于射流泵供水诱鱼的方法。
背景技术
大坝的建设对河道水体内鱼类的栖息及繁衍造成影响，水利大坝工程建设可缓解江河下游洪涝灾害，调蓄下游水资源及获得清洁能源的作用，但是其将天然河道分割成上、下两个单元，切断了鱼类的洄游通道，影响了鱼类种群的基因交流。过鱼设施作为拦河建筑物的重要生态补偿措施，受到越来越高的重视。其中，进口布设始终是设计的重中之重和技术难题，现代鱼道失败案例很多被归因为鱼类找不到进口、或进入难度大。过鱼设施进口尺寸小，仅占大坝宽度的1％不到，二维平面上的体量相当于“针眼”，小尺寸、小流量的鱼道进口出流相对主流的竞争性弱，鱼类难以有效感知。为解决这一问题，在进口出流的基础上附加一部分诱鱼水流，是提高诱鱼率的一个重要工程手段。国外导则指出，总诱鱼水流(进口出流+附加诱鱼水流)的竞争性主要取决于动量(动量＝射流速度×单位时间的水体质量)，动量越大，射入电站尾水产生的影响越广，被鱼类感知到的几率就越大。其中，射流速度不可太大，应尽量落在鱼类的趋流速度范围内，单位时间的水体质量即流量指标的大小则是越大越容易吸引鱼类。现过鱼设施诱鱼水流一般来自以下两类：
(1)从坝上水库直接引用：由于坝体上游和下游高度差的存在，若直接引库区水至下游的流速往往高达10m/s以上，而诱鱼水流一般所需流速为0.4-1.0m/s，因此需要消能降低流速才能作为诱鱼水流，即浪费能量还需另外敷设消能设施。
(2)坝下进口附近设泵站机组：现有的过鱼设施诱鱼水流多是由设在进口附近的轴流泵组直接在下游河道抽水加压产生大流量的诱鱼水流，泵体将电能转化为大流量、适宜流速的诱鱼水流的动能，为了产生足够大的诱鱼水流，需要耗费大量的电能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于，采用不需要电能的射流泵替换原有的轴流泵，仅引用坝上高水头的一股小水流，通过射流泵结构吸引周围水体在出水口处一股大流量、适宜流速的诱鱼水流，能量过程为将重力势能转换为水体动能。相较于轴流泵的高水头重力势能发电→电能→水体动能的能量转化过程，采用射流泵直接将高水头重力势能→水体动能的能量利用率高，噪声小、占地少、清洁性高。
为了实现上述的目的，本发明的技术构思是根据射流泵要提供的出口流量和出口流速，提供一种方法来选用射流泵，根据求出的射流泵的喉管与喷嘴的面积比，射流泵的工作管和吸入口的设计流量选用合适的射流泵，应用于为诱鱼提供诱鱼流场，节约能耗。
本发明采用以下技术方案：一种基于射流泵供水诱鱼的方法，包括射流泵、供水管道、集鱼通道，所述供水管的上端置于上游灌溉渠、供水管或坝体预设的小管，小管管口设置高程需低于库区死水位，供水管的下端置于拦河坝下游，所述射流泵的进口连通供水管的下端，所述射流泵的并列布置在过鱼设施进口旁，射流泵的出水口和吸入口均用网栅遮蔽。
根据诱鱼流量Qg和诱鱼流速v，获得射流泵基本设计参数选用射流泵的步骤包括：
射流泵形成诱鱼流量为Qg，诱鱼流速为v，射流泵出口扬程为hc＝0.5ρv2/ρg；
根据式：求出射流泵中喉管与喷嘴的最优面积比my，
h＝hc/h0,h0为引入射流泵的动力液的扬程，即供水管上下端的水头差，为喷嘴流速系数，取值范围0.95～0.975；
将my替换m并根据my的大小，代入下式，求性能系数h0和q0:
m＝1～3时，q0＝(5m-0.9445)0.5-1.75，h0＝2.667-0.0023(m+26.07)2；
m＝3～40时，q0＝(5m-0.94)0.5-1.7，h0＝1.45m-0.892；
将求出的性能系数h0和q0代入下式：
求射流泵吸入流体与动力液体的体积比q，q＝Qs/Q0,Qs为被吸入流体体积流量，Q0为动力液体积流量，Qs+Q0＝Qg，根据诱鱼流量Qg及体积比q求出射流泵吸入流体体积Qs和动力液体体积Q0；
以基本设计参数q、h、my、Qs、Q0作为参数设计合适规格的射流泵。
优选地，所述过鱼设施进口旁并列布置n个射流泵的出水口，每个射流泵的出口流量为Qg’，n Qg’＝Qg。
有利地，当设计时诱鱼流量Qg过大时，导致选用的射流泵出口尺寸在一些工况下大于下游水深可能导致运行过程中掺气，可用n个参数一致的射流泵一起提供足够的诱鱼流量Qg，每个射流泵的出口流量为Qg’。
优选地，所述射流泵包括工作管、流体混合管和扩散管，所述工作管的出口端嵌套在混合管内，所述工作管的出口不超过所述混合管的末端，所述混合管一端封闭，另一端敞开，在所述混合管和扩散管之间还设置有喉管，所述喉管的管径小于混合管和扩散管的管径，所述工作管的出口端穿过所述混合管的封闭端，所述喉管末端与所述扩散管相连，所述混合管的周向管壁上设有吸入口；所述射流泵的进口为工作管的进口端，所述射流泵的出口为扩散管的出口端。
优选地，所述混合管管壁上设置的吸入口数量为多个。
优选地，所述工作管的末端装有喷嘴。
本发明的有益效果是，本发明根据射流泵要提供的出口流量和出口流速，根据求出的射流泵的喉管与喷嘴的面积比，射流泵的工作管和吸入口的设计流量设计合适的射流泵，应用于为过鱼设施提供诱鱼水流。
该射流泵并列放置在集鱼通道出口旁，将拦河坝库区的水直接引至射流泵，有效利用中高水头坝体所提供的高压水流，通过射流泵作为水力变压器的作用，将高压的小流量水流转换为低压的大流量水流，在拦河坝下游射流泵内制造高速且低流量的流场，将射流泵外的下游河道水吸入喷出，形成低速且高流量的诱鱼水流，即形成鱼类洄游所需的流速和吸引流量，便于诱导鱼类洄游至过鱼设施进口处；此外，该射流泵不再需要外界能源输入供给工作流体，节约了能源，有效地解决直接在拦河坝下游通过离心泵制造低速且大流量的诱鱼水流时能耗过高、噪音大的问题。
附图说明
图1为基于离心泵的鱼游流场的结构示意图；
图2为本发明基于射流泵的鱼游流场的结构示意图；
图3为本发明中射流泵的结构示意图；
其中，1-射流泵、2-工作管、3-混合管、4-喉管、5-扩散管、6-吸入口、7-喷嘴、8-诱鱼水流、9-供水管、10-压力表、11-控制阀、14-水泵、15-拦河坝。
具体实施方式
以下结合附图、对比例以及具体实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应该理解为对本发明的限制。
对比例1
如图1所示，一种基于轴流泵供水制造的诱鱼流场，包括水泵14、供水管道9、集鱼通道8，以流体流动的方向为参照，供水管道9的前端浸没在拦河坝15后的下游河道水面以下，供水管道9的末端并列放置在集鱼通道8旁，供水管道9上安装有水泵14、压力表10以及控制阀11，集鱼通道8出口连通拦河坝下游的河道。
供水管道9的从拦河坝15后的下游河道内引水至集鱼通道8内时，可以视为不需要对水流进行提升，在水流调配的过程中，可以仅考虑管路损失和流速水头差。基于上述轴流泵供水的诱鱼流场，其能量转换过程为，从坝后下游河道引出的水流驱动水轮机旋转，带动发电机发电，通过电力线路将电能传输给电动机，电动机通过联轴器带动水泵旋转，将水流抽吸到需要的流速，将电能转换为水流的机械能。
在上述水泵供水制造游鱼流场的方案中，水力发电机组平均效率取85％，电动机的平均效率取90％，线路传输损失暂且不考虑，联轴器的效率取100％，水泵效率取70％，水泵的功率备用系数K取1.5，选取的轴流泵的工作扬程为3m、诱鱼流量为0.024m3/s，诱鱼流速为0.4～0.6m/s，所需要消耗的能量计算如下：
其中η水轮机组＝0.85、η传输线路＝1、η电动机＝0.9、η联轴器＝1、η水泵＝0.7、k＝1.5、ρ＝1000kg/m3、g＝9.8m/s2、Q＝0.024m3/s、H＝3m，
最终所需的能耗为1.976kW。
实施例1
如图2和图3所示，一种基于射流泵供水诱鱼的方法，包括射流泵1和供水管道9、集鱼通道8，射流泵1包括工作管2、流体混合管3、喉管4和扩散管5，以流体流动的方向为参照，工作管2前端焊接有法兰，用于连接供水管9，供水管9上端设于拦河坝15上游引水，供水管9下端设于拦河坝15下游，并列布置在集鱼通道8出口旁，供水管9下端连通射流泵1的工作管2，利用上下游的水位差，在工作管2末端形成高速低流量的水流，工作管2的末端穿过混合管3的封闭端口，并嵌套在混合管3内，工作管2的管径小于混合管3的管径，且工作管2在混合管3内的长度不大于混合管3的长度。混合管3末端通过变径管与喉管4前端相连，喉管4的末端与扩散管5的小端口相连，扩散管5的出口扩径。混合管3周向管壁上设有2个吸入口6，工作管2的末端装有喷嘴7。
如图2，射流泵1在诱鱼的场景中，在供水管9上设有压力表10和控制阀11。供水管9上端设置于拦河坝上游，将射流泵1的工作管2在拦河坝15下游的集鱼通道8出口旁与供水管9的出口相连，在上下游水位差的作用下，供水管9向射流泵1供给工作流体，当工作流体进入射流泵1后，通过工作管2的喷嘴7射出，来自集鱼通道8旁的吸入流体自吸入口6进入到混合管3，并与工作管2喷嘴射出的高速的工作流体混合，再经过扩散管5输出，此时高速低流量的工作流体转换为流速较小流量高的输出流体。扩散管5的出口并列在集鱼通道8出口旁，扩散管5的出口、射流泵1的吸入口6均被拦鱼网13遮蔽，扩散管5的出口朝向集鱼通道8出口方向。混合管3管壁上设置的吸入口6数量为多个。
在实际使用中，通过射流泵的工作管的法兰安装供水管道，再将射流泵放置在集鱼通道8旁，并浸没在水底，此时再将供水管道的前端固定在拦河坝上游河道，并确保供水管道前端一直浸没在水面下。考虑到所建坝体为中高水头坝体，水头可能有70米，此时进入到射流泵的工作流体有70米的水头，射流泵的工作管喷出高压高速的工作水流，在工作流体卷吸作用下，射流泵在集鱼通道旁的水体自射流泵的吸入口进入射流泵，形成低压的吸入流体，最后工作流体与吸入流体汇合形成混合流体，从射流泵出口排出，形成鱼类洄游所需的流场。在上述射流泵供水制造游鱼流场的方案中，射流泵直接通过供水管道从拦河坝前的上游河道引水，直接消耗水流能量。
为了使用射流泵在集鱼通道8内形成诱鱼流量为0.024m3/s，诱鱼流速v为0.4～0.6m/s的诱鱼水流，需引入射流泵的动力液压力和流量的技术过程如下：
体积流量比q＝Qs/Q0，Qs为被吸入流体体积流量，Q0为动力液体积流量，Qs+Q0＝0.024m3/s；
压力比h＝Δpc/Δp0，△pc为吸入流体压力增量，△p0为动力液压力降低量；h＝hc/hp,hp为引入射流泵的动力液的扬程，即拦水坝上下游水位差；
本实施例中，密度比ρs为吸入流体密度，ρ0为动力流体密度；
面积比m＝A3/A01，A3为喉管4流道截面积，A01为喷嘴7出口断面面积；
运用流体力学基本原理，对射流泵沿流体流动方向分段应用动量方程和伯努利方程，分步推导出射流泵基本方程：
为喷嘴流速系数，取值范围0.95～0.975；
为喉管流速系数，取值范围0.975；
为扩散管流速系数，取值范围0.9；
为喉管入口段流速系数，取值范围0.8～0.85；
当面积比m为常数时，方程近于直线，可简化为一次函数：
h0和q0是性能系数，它与m有关，其表达式如下：
m＝1～3，q0＝(5m-0.9445)0.5-1.75，h0＝2.667-0.0023(m+26.07)2 (式3)
m＝3～40，q0＝(5m-0.94)0.5-1.7，h0＝1.45m-0.892(式4)
根据射流泵性能的包络线可以得到压力比h与最优面积my的关系式：
考虑所建拦水坝为中高水头坝，动力液压力降低量已知，射流泵出口扬程hc＝△pc/ρg＝0.5*ρ*v2/ρg＝0.008～0.018米，v＝0.4～0.6m/s为h＝0.008/70或h＝0.018/70；
h＝0.008/70时，可根据式5求出my，my＝31.53～31.54；
再代入式3和式4，可求出q0和h0；q0＝10.819～10.83，h0＝31.487～31.503；
再代入式2，可求出q＝10.819～10.82；
因此，动力液体积流量为0.002m3/s，吸入液吸入流体体积流量为0.022m3/s；
所需要消耗的能量计算如下：
P＝ρgQ0h0
其中，ρ＝1000kg/m3、g＝9.8m/s2、Q0＝0.0022m3/s、h0＝70m。
最终所需的能耗为1.393kW。从能耗角度看，选取射流泵供水制造诱鱼水流的方案，其能耗优于轴流泵直接供水的能耗，仅相当于水泵供水能耗的70％。
h＝0.018/70时，可根据式5求出my，my＝31.368～31.383；
再代入式3和式4，可求出q0和h0；q0＝10.786～10.789，h0＝31.35～31.36；
再代入式2，可求出q＝10.786～10.789；
因此，动力液体积流量为0.002m3/s，吸入液吸入流体体积流量为0.0219m3/s；
所需要消耗的能量计算如下：
P＝ρgQ0h0
其中，ρ＝1000kg/m3、g＝9.8m/s2、Q0＝0.00219m3/s、h0＝70m。
最终所需的能耗为1.396kW。从能耗角度看，选取射流泵供水制造诱鱼水流的方案，其能耗优于轴流泵直接供水的能耗，仅相当于水泵供水能耗的71％。
在制作过程中，根据射流泵引入的动力液的扬程h0＝70米，可知工作内的压力为ρgh0＝68.6kg/cm2，由<<管道内介质常用流速范围表>>优选工作管和吸入口的液体流速范围vy为2～3m/s，再根据动力液体积流量、吸入液吸入流体体积流量、及工作管和吸入口的液体流速范围计算出工作管、吸入口为以下尺寸，工作管的直径：Dg＝2*(Q0/vyΠ)0.5，吸入口的直径Dx＝2*(Qs/vyΠ)0.5。
工作管的管径为DN32，扩散管大端口直径为DN250，吸入口可选择管径为DN80的管道安装在混合管管壁上，泵体总长为1800mm，采用不锈钢制作，以便长期在水下工作。
优选地，当设计时诱鱼流量Qg过大时，导致选用的射流泵出口尺寸在一些工况下大于下游水深，可用n个参数一致的射流泵一起提供足够的诱鱼流量Qg，每个射流泵的出口流量为Qg’，n Qg’＝Qg。
以上所述本发明的实施方法，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其相关的技术领域，均同理包含在本发明的专利保护范围内。本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。
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