一种模拟自主推进游泳鱼类的新方法：对泵与水轮机进水口损伤风险的启示

《Results in Engineering》：A novel approach for simulating self-propelled swimming fish: Implications for injury risk at pump and turbine intakes

　　

在抽水系统与水电系统中，随着运行管理者致力于实现生态绩效目标并遵守要求鱼类安全过鱼的环境立法，对鱼类受伤与死亡风险的评估变得日益重要。尽管与水力泵和水轮机相关的鱼类损伤风险已有较充分记录，但鱼类在封闭导管通道中经历的风险——例如泵和水轮机进水口、基于管道的鱼道以及水产养殖转运管线——仍研究不足，从而限制了对系统设计进行评价与改进的能力。

本研究提出一种新的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法，用于量化泵与水轮机进水口中常见水力条件与鱼类反应如何相互作用并影响此类流动中的损伤风险。以褐鳟（Salmo trutta）作为代表性物种，采用三维CFD并结合动态流体-物体相互作用（Dynamic Fluid-Body Interaction，DFBI）对鱼类轨迹与反应进行建模，该方法通过求解完全耦合的六自由度（six-degree-of-freedom，6-DOF）运动方程，使鱼体能够在空间内自由运动。此外，该方法还引入网格形变（mesh morphing）技术，以再现真实的波状推进或振荡游泳，并通过预定义触发点激活运动转换。

所预测的自主推进鱼类轨迹与幼年银鲈（Bidyanus bidyanus）通过管道部件时的活鱼实验结果一致。针对三种常见封闭导管部件——90°弯管、扩张段和收缩段——开展的模拟表明，鱼类能够安全通过每一种构型，且未发生有害碰撞。压力变化、剪切应变率、加速度和剪切应力的流体动力暴露水平均保持在公认的生物学阈值范围内。

所提出的方法使导管内鱼类运动的模拟成为可能，因此有潜力成为鱼类行为水力学（ethohydraulic）实验的重要工具。同时，该方法能够在鱼类通过不同水力结构（如泵和水轮机）时，对潜在损伤机制进行比较评估，并提供鱼-流体相互作用的细致图景。因此，该研究有助于扩展证据基础，供运行管理者与研究人员在评估鱼类通过水力结构时的损伤风险时参考，从而推动相关设施的改进与可持续设计。

该文发表于《Results in Engineering》，核心目标是建立一种能够同时表征鱼体真实形态、自主推进游动、姿态变化以及鱼-流体耦合作用的三维数值框架，用于评估泵站与水电设施进水系统中鱼类通过封闭导管时的损伤风险。研究背景在于，河流连通性长期受泵、水轮机、涵洞、堰坝等水工设施阻断，洄游鱼类在上下游迁移过程中不仅面临结构阻隔，还会遭受压力骤变、剪切、加速度、湍流、碰撞与叶片打击等多重水动力胁迫。现有鱼类损伤评估仍高度依赖活鱼试验，尽管该方法是当前主流，但存在动物福利、伦理约束、成本高以及难以在设计阶段高效迭代的局限。与此同时，既往数值方法虽可较可靠地求解水力场，却难以真实表征鱼体外形、柔性运动和主动行为：早期CFD多只统计危险区域体积，或将鱼简化为流线、无质量示踪体、球体、圆柱体或离散颗粒，难以反映真实游动鱼在复杂流场中的受力与行为。正因如此，开展一种高保真、可用于鱼道安全评估与工程设计优化的新型数值方法研究具有明显必要性。

研究人员提出了一种基于动态流体-物体相互作用（Dynamic Fluid-Body Interaction，DFBI）的新方法，将重叠网格六自由度（six-degree-of-freedom，6-DOF）刚体运动模型与网格形变（mesh morphing）技术相结合，在三维计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）框架下模拟褐鳟（Salmo trutta）的自主推进通过过程。该方法的创新点主要体现在两方面：其一，鱼体作为真实三维外形的运动物体，通过完全耦合运动方程求解前后、横向、垂向平移及偏航运动；其二，利用网格形变叠加体波推进，使鱼体产生类真实的波状摆动、推进力与游速变化。研究进一步在几何预定义位置设置“反应点”，通过改变头部振幅（A）、尾拍频率（f）或施加绕z轴附加力矩，诱导鱼体产生加速游动或趋流方向转换，以考察行为变化对鱼类轨迹、停留时间及损伤暴露的影响。模拟对象包括90°弯管、扩张段和收缩段三种典型封闭导管部件，每种构型均设置“无反应鱼”和“反应鱼”两类情景，共完成6组复杂CFD研究。研究结论表明，该方法预测的鱼类轨迹与既有活鱼试验观察总体一致；在所考察水力条件下，鱼体可安全通过三类导管构型，绝大多数生物学胁迫指标均低于已报道损伤阈值，说明这些典型进水导管部件在所设工况下对鱼类的致伤风险较低。更重要的是，该方法为未来开展鱼类行为水力学研究、泵与水轮机鱼类友好型设计以及法规支撑的数字化评估提供了新工具。

主要技术方法可概括如下：研究采用STAR-CCM+建立三维非定常不可压湍流CFD模型，湍流封闭采用SST k-ω模型；鱼体为13 cm褐鳟真实几何，利用DFBI框架求解4-DOF自由运动，并以重叠网格处理鱼体与背景导管网格之间的相对运动；通过基于径向基函数（Radial-Basis Function，RBF）的网格形变重现亚鲹科型（sub-Carangiform）体-尾鳍（Body-Caudal Fin，BCF）游动波；通过文献中实验观察预设反应触发点和运动学切换规则；并将模拟轨迹与UNSW Water Research Laboratory基于幼年银鲈（Bidyanus bidyanus）的活鱼管道实验进行定性对照验证。

3.1. 90-degree bend
在90°弯管中，研究人员比较了无反应鱼与反应鱼的通过轨迹、运动模式及胁迫暴露。结果显示，改变游动运动学后，鱼体在弯管中的停留时间明显缩短，反应鱼通过时间短于无反应鱼，并且轨迹发生偏移：无反应鱼更靠近弯管内侧，而反应鱼更趋向外侧。与既往活鱼实验影像相比，数值预测轨迹在定性上具有一致性。沿程分析表明，鱼体经历主动上游游动、主动漂移、被动漂移和短时驻留等不同运动模式，这些模式既受预定义反应影响，也受局部流速（u_flow）与空间速度梯度（SVG）变化控制。损伤评估方面，加速度幅值与剪切应变率（SSR）整体接近零并远低于95g和500 s^-1阈值；反应触发瞬间虽出现约48g和200 s^-1尖峰，但被解释为自主反应行为所致，而非弯管水动力致伤。压力方面，最低绝对压力未低于50 kPa，压力变化比（RPC）分别为1.23和1.26，低于1.65阈值；平均压力变化率（ROC）低于550 kPa/s，但反应触发瞬间出现超过1500 kPa/s的短时峰值。表面皮肤剪切应力峰值为195和265 N/m²，仍低于774 N/m²阈值。接触力总体较小，仅在出弯后出现约3.8 N接触，文中将其视为非有害接触。整体说明90°弯管在该工况下不会对鱼体造成显著机械或水动力损伤。

3.2. Expansion
在扩张段中，反应鱼在扩张后低速区被设定为由顺流朝向转为逆流朝向，因此与始终保持顺流的无反应鱼相比，其在导管中的停留时间更长，并呈现回流式运动路径。该特征与既有活鱼实验中观察到的扩张后推挤至壁面附近的行为现象相近。结果显示，两类鱼在上游小管径段中的运动较为一致，而在进入大管径段后轨迹开始分化。无反应鱼主要沿中心线通过，未被卷入二次流区；反应鱼在较大管段中转向，并短暂尝试逆流游动后重新转为顺流运动。胁迫评估表明，无反应鱼的加速度与SSR始终很低；反应鱼在转向期间出现若干尖峰，但仍明显低于95g与500 s^-1阈值。压力记录中，两类鱼均在初期出现向约80 kPa的瞬时下降，但最低压力仍高于50 kPa；RPC分别为1.23和1.26，未达气压创伤风险水平。ROC平均值同样低于阈值，仅在初始定向转换和反应机动期间短时超限。皮肤剪切应力方面，无反应鱼峰值约35 N/m²，反应鱼峰值约154 N/m²，均远低于损伤阈值。接触力方面，无反应鱼仅有一次小于5 N的早期接触；反应鱼出现8次接触，多数低于5 N，但在反应启动时出现约35 N的高峰。论文明确指出，该异常高碰撞更可能是受控反应触发的人为伪影，而非扩张段本身引发的典型机械伤害。因此，在Q = 50.51 l/s、入口流速2.77 m/s工况下，扩张段对鱼体总体机械风险较低。

3.3. Contraction
在收缩段中，研究人员同样比较了无反应鱼与反应鱼的运动差异。结果显示，反应鱼在进入收缩前被设定为转为逆流朝向，因此其在导管中的停留时间长于无反应鱼。轨迹对照既有活鱼实验后，数值结果在定性上仍表现出良好一致性。水动力场分析表明，两类鱼在上游25 cm大管径段中运动相似，但反应鱼在接近收缩前转向，在高流速、高SVG区域表现出迎流定向，不过由于其相对游速低于周围流速，最终仍被推入收缩段，运动模式由主动上游游动转为主动漂移。加速度与SSR方面，无反应鱼仅在入流初期出现短时波动，其余时段接近零；反应鱼在t?t_s≈1 s反应开始时出现短暂尖峰，但所有数值仍低于95g和500 s^-1阈值。压力方面，无反应鱼RPC为1.03，反应鱼RPC为1.25，均低于1.65，最低压力保持在84–143 kPa安全范围内；ROC虽在接近收缩处略有增加，但始终远低于550 kPa/s阈值，表明收缩段未造成明显减压伤风险。皮肤剪切应力方面，无反应鱼始终较低；反应鱼在调整朝向期间出现约160–300 N/m²中等峰值，但仍显著低于774 N/m²阈值。接触力方面，无反应鱼全程未碰壁；反应鱼在收缩后期发生数次短时接触，多数低于2 N，仅在出口附近出现约5 N和15 N峰值。文中将该水平接触力视为不太可能造成损伤，说明在建模工况下收缩段亦不构成显著机械风险。

讨论部分总结表明，本研究最大的贡献在于首次实现了具有真实三维形态、主动推进、可转向且可叠加波状游动的鱼体，在封闭导管内与流场进行完全耦合模拟。相较于将鱼视为无质量粒子、简化拉格朗日颗粒或仅施加推力项的低阶模型，该方法能更直接提取真实鱼体在通过过程中所遭受的压力、剪切、加速度和接触等关键伤害指标，并可分析行为反应改变如何影响暴露时间与路径选择。研究同时指出，该方法仍有若干限制：其一，计算代价极高，目前每个工况仅进行了单尾反应鱼和单尾无反应鱼的演示性模拟，统计稳健性有限；其二，鱼体运动学参数在触发后保持常值，尚未实现活鱼那种连续、适应性的行为调节；其三，反应触发依赖预定义几何位置，而非由局部SVG、压力波动或湍流强度实时驱动；其四，模型未纳入俯仰运动、胸鳍/背鳍/腹鳍运动及更复杂的行为决策框架。因此，该研究更适合作为方法学验证与概念验证，而非群体尺度死亡率预测工具。尽管如此，作者强调，这一框架已可作为鱼类行为水力学实验、泵站和水电设施生态优化、以及环境监管数字证据生成的重要基础。

研究结论部分可译为：本研究提出了一种创新性的数值方法，在CFD框架下通过将动态6-DOF模型与网格形变相结合，用于模拟泵和水轮机封闭导管进水系统内三维自主推进鱼类运动。该方法能够有效模拟褐鳟等亚鲹科型游泳鱼类的波状推进运动，并描述其因水动力参数变化而产生的运动模式转变。通过对扩张段、收缩段和弯管等管道部件中的真实三维鱼体运动进行建模，该方法提供了一种非侵入性、可重复、且可与活鱼试验结果相互验证的研究路径。从长远看，此类数值模型将有助于在研究泵和水轮机等潜在有害设施时替代活鱼试验。研究结果表明，在鱼类通过封闭导管的数值模型中纳入鱼类反应，对于开展准确的生态学评价至关重要。预测轨迹与既往活鱼实验中观察到的鱼体路径总体一致。定量结果显示，在90°弯管中，反应鱼的通过时间约为1.93 s，而无反应鱼约为2.18 s，表明行为反应可将鱼类暴露于水动力胁迫的时间缩短约11%。数值模拟进一步计算并系统评估了可能导致致命伤害的生物学胁迫指标，包括加速度、剪切应变率、绝对压力、压力变化率、皮肤剪切应力和接触力，并与已识别的水力阈值进行了比较。在收缩段工况中，RPC维持在1.03至1.25之间，明显低于1.65的气压创伤阈值；峰值皮肤剪切应力为160–300 N/m²，低于774 N/m²的公认阈值；接触力通常低于2 N，仅在反应鱼接近收缩出口时短暂达到约5–15 N。总体而言，多数受检生物学胁迫指标均处于既有损伤阈值以内，仅观察到少量短时超限事件。总体上，该方法为未来鱼类行为水力学研究、鱼类安全型水力结构优化设计以及支持抽水与水电系统安全过鱼的监管框架奠定了基础。该方法可用于区分“预计不会发生损伤或死亡”的环境与“可能发生损伤或死亡”的环境：低于阈值表示环境无害，高于阈值表示环境可能有害。但该方法尚不能量化通过过程中鱼类受伤或死亡的比例，因此更适合作为设备或导管设计以及“有害/无害”判别工具，而非死亡率估算工具。