Forskere bruger 3D-udskrivning, sensorer til at skabe modeller til vandkraftprøvning

Vandkraftudviklere skal overveje mange faktorer, når det er tid til at licensere et nyt projekt eller forny et eksisterende:Hvordan kan miljøpåvirkninger afhjælpes, herunder til fiskebestande? Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har fundet en unik løsning:ved hjælp af 3D-print og sensorer til at lave falske fisk til mølletest.

Når fisk passerer gennem vandkraftdæmninger, de støder på forhindringer, der kan forårsage skader - trykændringer, turbulens, og roterende vinger på møller. Som en del af sit miljøvurderingsarbejde for vandkraftprojekter, ORNL udviklede et system til at analysere møllens indvirkning på arter af høj værdi.

"Vi vil forstå de kræfter, forskellige fiskearter støder på, og hvordan disse kræfter kan resultere i skade eller dødelighed, "sagde Ryan Saylor, en Bredesen Center for Tværfaglig forskning og kandidatuddannelse studerende, der arbejder i ORNLs miljøvidenskabelige afdeling. "Der kan være tweaks, som mølledesignere og producenter kunne lave, som ville bevare fiskearter og samtidig minimere virkningen på energiproduktionen."

Arbejdet er vigtigt. Vandkraft er den største kilde til vedvarende energi og energilagring i nytteværdi i landet, tegner sig for 6% af den samlede elproduktion. ORNL har en lang historie med at støtte vandkraft, herunder forbedringer af licens- og reguleringsprocessen.

Der er mange faktorer, der skal tages i betragtning ved testning af vandkraftpåvirkninger på fisk:hvor hurtigt knivene bevæger sig, knivens tykkelse og vinkel, hvor stor hver fisk er, og hvor dens massecenter sidder.

"Det, vi indså, er, at det egentlig er et fysikproblem, "tilføjede Mark Bevelhimer, der startede projektet og for nylig er gået på pension fra ORNL.

Forskerne besluttede at skabe en modelfisk - teknisk set, en antropomorf testanordning - for at hjælpe dem med at forstå turbinebladernes kræfter og generere flere datapunkter til analyse.

De kom på ideen om at bruge ballistisk gel til fiskekroppen. Gelen, oprindeligt udviklet til militære formål, kan kontrolleres for forskellige tætheder for at efterligne muskelvæv.

For at skabe forme til forskellige fiskearter, forskerne vendte sig til 3D-udskrivningskapaciteterne i Manufacturing Demonstration Facility, en DOE -udpeget brugerfacilitet på ORNL. Forskerne bragte fisk til MDF for at blive laserscannet, og de resulterende konturer blev ført ind i et computerstøttet designprogram, der igen guidede en 3D-printer til at lave forme af hver fisk, der skulle testes.

Brian Post, der ledede MDF -indsatsen, bemærkede, at 3D-udskrivning af forme er en hurtig, billig løsning, der muliggør oprettelse af en lang række fiskemodeller på kort tid. "Hver art har en anden morfologi, så at lave forme giver os mulighed for at fange disse forskelle. Vi kan ret let lave en enestående fisk. Hvis du traditionelt skulle producere forme, det ville tage længere tid at trække formen fra en blok af materiale, "Indlæg forklaret.

Miljøforskerne blandede den ballistiske gel med kanelolie (et billigt antimikrobielt middel) og fyldte derefter formene og lod gelen sætte sig. Holdet testede "squishiness" af efterfølgende falske fisk for at komme så tæt på virkeligheden som muligt. Forskerne belagte derefter fisken i en plastikagtig maling for at give dem mere stivhed og efterligne hud og skalaer.

Sensorer indlejret i modellerne måler acceleration og G-kræfter i turbinesimulatoren i tre dimensioner. Stammålere bruges også til at måle, hvordan fisken strækker sig eller trækker sig indad og udad som følge af de simulerede strejker.

Forskerne fortsætter med at forbedre modellen, herunder øget svarprocent, hvilket igen skulle resultere i en højere opløsning af data, samt fremskridt inden for dataudtrækning og analyse. Indtil videre har de skabt og testet modeller af fire fiskearter:regnbueørreder, bluegill, skygge og bas.

Projektet blev finansieret af ORNL's Laboratory Directed Research and Development -program.

"Det er svært at efterligne biologi, "Sagde Saylor." Vi har arbejdet på at komme så tæt som muligt på en god repræsentation uden brug af specialiseret udstyr, der kan øge omkostningerne. "

Det faktum, at der er lidt standardisering af vandkraftprojekter, giver mulighed for mere arbejde, vidste forskerne. Vandkraftdæmninger er stort set konstrueret i henhold til hvert websteds geografi og kundens strømbehov, så hvert projekt er anderledes.

"Vi ønsker at producere vandkraft på en måde, der ikke skader den fisk, der passerer igennem, "Bevelhimer sagde." Der er et stort pres på ejere og operatører af strømdæmninger for at reducere deres miljøpåvirkning. Der er masser af udfordringer, og at give fisk sikrere passage er en af ​​dem. "