3D打印创建水电测试模型

ORNL的科学家将他们在环境科学，物理学，传感器和增材制造领域的专业知识相结合，创造出可用于水电涡轮机设计测试的模型鱼。该项目支持健康的生态系统和水力发电，这是美国最大的可再生能源。

 

水电开发人员在许可新项目或更新现有项目时必须考虑许多因素：如何减轻环境影响，包括对鱼类种群的影响？能源部橡树岭国家实验室的研究人员找到了一个独特的解决方案：使用3D打印机和传感器创建用于涡轮测试的假鱼。

当鱼类通过水力发电大坝时，它们会遇到障碍物，这些障碍物可能会导致伤害-压力变化，湍流和涡轮机叶片旋转。作为水电项目环境评估工作的一部分，ORNL开发了一个系统来分析涡轮机设计对高价值物种的影响。

“我们想了解不同鱼类遇到的作用力，以及这些作用力如何导致伤害或死亡，”布雷德森跨学科研究中心和研究生教育的学生赖安·赛勒（Ryan Saylor）说，他在ORNL环境科学部工作。“涡轮机设计者和制造商可能会进行一些调整，以保护鱼类，同时最大程度地减少对能源生产的影响。”

这项工作很重要。水电是该国最大的可再生能源和公用事业规模的储能资源，占总发电量的6％。ORNL在支持水电方面拥有悠久的历史，包括改进许可和监管流程。

测试水电对鱼类的影响时，有许多因素需要考虑：叶片运动的速度，叶片的厚度和角度，每条鱼的大小以及质心的位置。

“我们意识到这本质上是一个物理问题，”启动该项目并最近从ORNL退休的Mark Bevelhimer补充说。

科学家们决定创建一个用鱼来形容的模型模型，即一种拟人化的测试设备，以帮助他们了解涡轮叶片的力并生成多个数据点进行分析。

他们提出了在鱼体内使用防弹凝胶的想法。最初用于军事目的的凝胶可以控制为不同的密度，以模仿肌肉组织。


 
为了制造各种鱼类的霉菌，研究人员转向了ORNL在DOE指定的用户设施制造示范设施上的3D打印功能。研究人员将鱼带到MDF进行激光扫描，然后将所得到的轮廓送入计算机辅助设计程序，该程序随后引导3D打印机为每条要测试的鱼创建霉菌。

MDF工作的负责人Brian Post指出，3D打印机是一种快速，低成本的解决方案，可以在短时间内创建各种鱼类模型。每个物种都有不同的形态，因此制作模具可以使我们捕捉到这些差异。我们可以很容易地制作出一种鱼。如果要按常规方式生产模具，则从一块材料中减去形状所需的时间会更长。”

环境科学家将防弹凝胶与肉桂油（一种廉价的抗菌剂）混合，然后填充模具，并使凝胶凝固。该团队测试了后续假鱼的“压榨性”，以使其尽可能接近现实。然后，科学家在鱼上涂了一层类似塑料的油漆，以使它们具有更高的刚度并模仿皮肤和鳞片。

模型中嵌入的传感器从三个维度测量涡轮仿真器中的加速度和G力。应变仪还用于测量鱼由于模拟罢工而在内部和外部如何伸展或收缩。

科学家们继续改进模型，包括提高响应速度，这反过来又应该导致数据的更高分辨率，以及数据提取和分析的进步。到目前为止，他们已经创建并测试了四种鱼类的模型：虹鳟鱼，蓝blue，sha鱼和鲈鱼。
 
该项目由ORNL的实验室指导研究与开发计划资助。

“模仿生物学是困难的，”塞勒指出。“我们一直努力在不使用可能增加成本的专用设备的情况下尽可能接近良好的代表。”

科学家们指出，水电项目标准化程度低的事实为更多的工作提供了机会。水力发电大坝主要是根据每个站点的地理位置和客户的电力需求建造的，因此每个项目都是不同的。

Bevelhimer说：“我们希望以不损害通过鱼类的方式来生产水力发电。” “降低大坝所有者和运营商对环境的影响很大。挑战很多，让鱼类更安全地通过就是其中之一。”

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