Reduction of animal experiments on the risk of damage to hydropower plants - utilization of passive sensor fish and their digital twin

Deutsch: das Projektlogo besteht aus einem Fischkörper in Anlehnung an eine Forelle, der Kopf und die Flossen sind grau, der Körper rot dargestellt, am Kopf sind Sensoren erkennbar, daneben steht in Großbuchstaben der Projektname RETERO Englisch: the project logo consists of a fish body based on a trout, the head and fins are grey, the body is red, sensors are visible on the head, next to it is the project name RETERO in capital letters © Stefan Hoerner

Table of contents

    1. Short Description
    2. Media
    3. Project Data
      1. Project Lead
      2. Project Management
      3. Project Partners
    4. Publications
    5. Further Information
    6. Funding

Short Description

The aim of the project is to reduce experiments with live wild fish to evaluate the damage to fish during the passage of turbines and other downstream corridors at power plants and other hydraulic structures and to replace them completely in the long term with a modular system of experimental and numerical replacement systems. To this end, a large number of studies were carried out and methods developed in the project:

  • Behavioural studies investigate the reactions of fish during passage of the structures and are implemented in the numerical models.
  • Studies on collisions and impact events and the associated structural-mechanical response of the fish bodies on the basis of flexible replacement bodies allow the development of new types of sensors and the transfer of sensor data into damage predictions.
  • Numerical surrogate models provide high-resolution, spatial and temporal data on the flow in conjunction with fish behaviour models.
  • Robotic surrogate fish will be equipped with specialized pressure and acceleration sensors to assess and set physical factors and thresholds for hydropower-induced damage and mortality caused by downstream passage through turbines and hydraulic structures.
  • Non-invasive mini-sensors that can be applied to the fish (backpack sensors) provide extended data and findings per fish and allow a significant reduction in the number of laboratory animals.

The new methods provide the basis for prediction models that allow an assessment of the risk of harm with reduced animal testing or can completely dispense with animal testing. The RETERO project combines the necessary expertise from biology, ethohydraulics, hydraulic engineering, fluid mechanics, microelectronics and information technology.

In the second phase of the project, the experiments from project phase I were expanded to include the taxonomic groups of Percidae and Cyprinidae and the results were also implemented in the replacement methods.

The IWD together with IGF were responsible for the laboratory tests. For this purpose, a test flume was constructed in the hydraulic engineering hall with which flow conditions could be generated according to the hypotheses established by fish biologists (spatial flow gradients, maximum flow velocities, lateral flow gradients, simulation of day/night conditions) and thus the behaviour in the inlet area of turbines and pumps could be investigated. The work focused on

  • the design and construction of an ethohydraulic experimental flume to investigate fish behaviour upstream of turbines in accordance with the hypotheses,
  • a 3D HN simulation of the hydraulics in the ethohydraulic experimental flume,
  • the development of a 3D fish video tracking system to record and analyze the paths of fish movement,
  • the metrological characterization of the flow situation in the ethohydraulic experimental flume,
  • the supervision and video analysis of the animal experiments,
  • the realization of experiments with sensor fish and
  • development and application of a virtual sensor fish in 3D HN numerics.

Media

Deutsch: Der obere Teil ist eine farbige Konturdarstellung eines stromlinienförmigen Körpers, der in eine Flüssigkeitsströmung eingetaucht ist und der Form der Seitenliniensonde (LLP) eines Fisches ähnelt. Dieses Modell veranschaulicht die Größe der Strömungsgeschwindigkeit, wobei die Farben von Blau, das die niedrigste Geschwindigkeit darstellt, über Grün bis hin zu Rot reichen, das die höchste Geschwindigkeit anzeigt (die ein Maximum von etwa 2,9 erreicht). Die Konturenkarte wird in einer Längsebene dargestellt, die mit der Strömung ausgerichtet ist, so dass man sehen kann, wie sich die Geschwindigkeit um und hinter dem Modell verteilt. Die Sonde erscheint in einem Querschnitt der Flüssigkeitsströmung und zeigt eine dünne Linie innerhalb ihrer Struktur, die die Druckverteilung entlang des Fischkörpers darstellt. Diese Linie stellt einen visuellen Indikator für die Druckreaktion dar und simuliert die sensorische Funktion der Seitenlinie eines Fisches, die Strömungs- und Druckschwankungen wahrnimmt. Der untere Teil ist ein Liniendiagramm, das die Druckkoeffizientenverteilung entlang des LLP-Modells darstellt. Die Darstellung ist dreidimensional, wobei die y-Achse einen dimensionslosen seitlichen Abstand auf dem Fischkörper darstellt (im Bereich von etwa 0,52 bis 0,5475 m), die x/c-Achse eine normalisierte Position entlang der Sehnenlänge des Profils angibt und die Werte entlang der vertikalen Achse liegen. Die Werte schwanken zwischen etwa -1,1 und 1 und zeigen, wie der Druck über die Modelloberfläche variiert. Das Diagramm enthält mehrere Linien: eine schwarze gestrichelte Linie, die die Oberfläche der Sonde umreißt, eine rote gestrichelte Linie, die den Medianwert von -0,57 angibt, und rote Punkte, die Sensorpositionen für bestimmte Messungen entlang des Fischkörpers darstellen. Diese Linien helfen dabei, die Trends und Abweichungen der Druckverteilung über die LLP-Oberfläche zu analysieren. Englisch: The top subfigure is a colored contour plot depicting a streamlined body immersed in a fluid flow, resembling the form of a fish's lateral line probe (LLP). This model demonstrates the flow velocity magnitude, with colors ranging from blue, representing the lowest velocity, through green, to red, indicating the highest velocity (reaching a maximum of approximately 2.9). The contour map is presented in a longitudinal plane aligned with the flow, allowing a view of how velocity distributes around and behind the model. The probe appears in a cross-section of the fluid flow, showing a thin line within its structure that represents the pressure distribution along the fish body. This line provides a visual indicator of the pressure response, simulating the sensory function of a fish's lateral line, which detects variations in flow and pressure. The bottom subfigure is a line plot representing the pressure coefficient c_p distribution along the LLP model. The plot is three-dimensional, with the y-axis representing a dimensionless lateral distance on the fish body (ranging approximately from 0.52 to 0.5475 m), the x/c-axis indicating a normalized position along the chord length of the profile, and the c_p values along the vertical axis. The c_p values fluctuate between approximately -1.1 and 1, showing how pressure varies over the model surface. The plot includes several lines: a black dashed line outlining the probe surface, a red dashed line indicating the median c_p value of -0.57, and red points representing sensor locations for specific c_p measurements along the fish body. These lines help to analyze the pressure distribution's trends and deviations over the LLP surface.
Deutsch: Der obere Teil ist eine farbige Konturdarstellung eines stromlinienförmigen Körpers, der in eine Flüssigkeitsströmung eingetaucht ist und der Form der Seitenliniensonde (LLP) eines Fisches ähnelt. Dieses Modell veranschaulicht die Größe der Strömungsgeschwindigkeit, wobei die Farben von Blau, das die niedrigste Geschwindigkeit darstellt, über Grün bis hin zu Rot reichen, das die höchste Geschwindigkeit anzeigt (die ein Maximum von etwa 2,9 erreicht). Die Konturenkarte wird in einer Längsebene dargestellt, die mit der Strömung ausgerichtet ist, so dass man sehen kann, wie sich die Geschwindigkeit um und hinter dem Modell verteilt. Die Sonde erscheint in einem Querschnitt der Flüssigkeitsströmung und zeigt eine dünne Linie innerhalb ihrer Struktur, die die Druckverteilung entlang des Fischkörpers darstellt. Diese Linie stellt einen visuellen Indikator für die Druckreaktion dar und simuliert die sensorische Funktion der Seitenlinie eines Fisches, die Strömungs- und Druckschwankungen wahrnimmt. Der untere Teil ist ein Liniendiagramm, das die Druckkoeffizientenverteilung entlang des LLP-Modells darstellt. Die Darstellung ist dreidimensional, wobei die y-Achse einen dimensionslosen seitlichen Abstand auf dem Fischkörper darstellt (im Bereich von etwa 0,52 bis 0,5475 m), die x/c-Achse eine normalisierte Position entlang der Sehnenlänge des Profils angibt und die Werte entlang der vertikalen Achse liegen. Die Werte schwanken zwischen etwa -1,1 und 1 und zeigen, wie der Druck über die Modelloberfläche variiert. Das Diagramm enthält mehrere Linien: eine schwarze gestrichelte Linie, die die Oberfläche der Sonde umreißt, eine rote gestrichelte Linie, die den Medianwert von -0,57 angibt, und rote Punkte, die Sensorpositionen für bestimmte Messungen entlang des Fischkörpers darstellen. Diese Linien helfen dabei, die Trends und Abweichungen der Druckverteilung über die LLP-Oberfläche zu analysieren. Englisch: The top subfigure is a colored contour plot depicting a streamlined body immersed in a fluid flow, resembling the form of a fish's lateral line probe (LLP). This model demonstrates the flow velocity magnitude, with colors ranging from blue, representing the lowest velocity, through green, to red, indicating the highest velocity (reaching a maximum of approximately 2.9). The contour map is presented in a longitudinal plane aligned with the flow, allowing a view of how velocity distributes around and behind the model. The probe appears in a cross-section of the fluid flow, showing a thin line within its structure that represents the pressure distribution along the fish body. This line provides a visual indicator of the pressure response, simulating the sensory function of a fish's lateral line, which detects variations in flow and pressure. The bottom subfigure is a line plot representing the pressure coefficient c_p distribution along the LLP model. The plot is three-dimensional, with the y-axis representing a dimensionless lateral distance on the fish body (ranging approximately from 0.52 to 0.5475 m), the x/c-axis indicating a normalized position along the chord length of the profile, and the c_p values along the vertical axis. The c_p values fluctuate between approximately -1.1 and 1, showing how pressure varies over the model surface. The plot includes several lines: a black dashed line outlining the probe surface, a red dashed line indicating the median c_p value of -0.57, and red points representing sensor locations for specific c_p measurements along the fish body. These lines help to analyze the pressure distribution's trends and deviations over the LLP surface.

© Henrik Gößling

Deutsch: Erkennbar sind die fächerartig dargestellten Druckverläufe am Sensorkopf für die verschiedenen Messpositionenin Diagrammform, auf der X-Achse ist die x-Position dargestellt, auf der Y-Achse die Y-Position, eine Farbskala am rechten Bildrand definiert die Druckschwankungen in Pascal, eingefügt ist ein Bild des Sensorfisches Englisch: The fan-shaped pressure curves on the sensor head for the various measuring positions can be seen in diagram form, the x-axis shows the x-position, the y-axis shows the y-position, a colour scale on the right-hand edge of the image defines the pressure fluctuations in Pascal, a picture of the sensor fish is inserted.
Deutsch: Erkennbar sind die fächerartig dargestellten Druckverläufe am Sensorkopf für die verschiedenen Messpositionenin Diagrammform, auf der X-Achse ist die x-Position dargestellt, auf der Y-Achse die Y-Position, eine Farbskala am rechten Bildrand definiert die Druckschwankungen in Pascal, eingefügt ist ein Bild des Sensorfisches Englisch: The fan-shaped pressure curves on the sensor head for the various measuring positions can be seen in diagram form, the x-axis shows the x-position, the y-axis shows the y-position, a colour scale on the right-hand edge of the image defines the pressure fluctuations in Pascal, a picture of the sensor fish is inserted.

© Henrik Gößling

Deutsch: Draufsicht der Rinne im sich verjüngenden Bereich, mit einer roten Linie ist der zurückgelegte Pfad des Fischmittelpunktes, mit blau der Pfad des Kopfpunktes und mit lila der Pfad desSchwanzpunktes des Flussbarsches dargestellt, den Fisch erkennt man als schwarze Silhouette vor einem dunklen Hintergrund Englisch: Top view of the channel in the tapering area, the path of the fish's centre is shown with a red line, the path of the head point with a blue one and the path of the tail point of the perch with a purple one, the fish can be recognized as a black silhouette against a dark background
Deutsch: Draufsicht der Rinne im sich verjüngenden Bereich, mit einer roten Linie ist der zurückgelegte Pfad des Fischmittelpunktes, mit blau der Pfad des Kopfpunktes und mit lila der Pfad desSchwanzpunktes des Flussbarsches dargestellt, den Fisch erkennt man als schwarze Silhouette vor einem dunklen Hintergrund Englisch: Top view of the channel in the tapering area, the path of the fish's centre is shown with a red line, the path of the head point with a blue one and the path of the tail point of the perch with a purple one, the fish can be recognized as a black silhouette against a dark background

© Tom Rößger

Isometric view of the experimental flume, consisting of the parts source pot, inlet area and outlet area, each as an open flume, the inlet area is followed by the observation area designed as a closed conduit, it tapers over a length of 7.5 m from 2 m wide to 0.4 m wide and has a constant width of 0.4 m for the subsequent 5 m length, the wooden support structure of the closed channel made of acrylic glass and the lighting system made of infrared radiators are also shown, the entire model has a length of 30 m and there is an adjustable flap at the end to regulate the water level
Isometric view of the experimental flume, consisting of the parts source pot, inlet area and outlet area, each as an open flume, the inlet area is followed by the observation area designed as a closed conduit, it tapers over a length of 7.5 m from 2 m wide to 0.4 m wide and has a constant width of 0.4 m for the subsequent 5 m length, the wooden support structure of the closed channel made of acrylic glass and the lighting system made of infrared radiators are also shown, the entire model has a length of 30 m and there is an adjustable flap at the end to regulate the water level

© Tom Rößger

Deutsch: das Projektlogo besteht aus einem Fischkörper in Anlehnung an eine Forelle, der Kopf und die Flossen sind grau, der Körper rot dargestellt, am Kopf sind Sensoren erkennbar, daneben steht in Großbuchstaben der Projektname RETERO Englisch: the project logo consists of a fish body based on a trout, the head and fins are grey, the body is red, sensors are visible on the head, next to it is the project name RETERO in capital letters
Deutsch: das Projektlogo besteht aus einem Fischkörper in Anlehnung an eine Forelle, der Kopf und die Flossen sind grau, der Körper rot dargestellt, am Kopf sind Sensoren erkennbar, daneben steht in Großbuchstaben der Projektname RETERO Englisch: the project logo consists of a fish body based on a trout, the head and fins are grey, the body is red, sensors are visible on the head, next to it is the project name RETERO in capital letters

© Stefan Hoerner

Isometrische Ansicht der Versuchsrinne, bestehend aus den Teilen Quelltopf, Einlaufbereich und Auslaufbereich, jeweils als offenes Gerinne, an den Einlaufbereich schließt der als geschlossenes Gerinne ausgeführte Beobachtungsbereich an, dieser verjüngt sich über 7,5 m Länge von 2 m Breite auf 0,4 m Breite und weist für die anschließenden 5 m Länge eine konstante Breite von 0,4 m auf, dargestellt ist ebenfalls die Holzträgerkonstruktion des geschlossenen Gerinnes aus Acrylglas sowie das Beleuchtungssystem aus Infrarotstrahlern, das gesamte Modell hat eine Länge von 30 m und an dessen Ende befindet sich eine verstellbare Klappe zur Regulierung des Wasserstands
Isometrische Ansicht der Versuchsrinne, bestehend aus den Teilen Quelltopf, Einlaufbereich und Auslaufbereich, jeweils als offenes Gerinne, an den Einlaufbereich schließt der als geschlossenes Gerinne ausgeführte Beobachtungsbereich an, dieser verjüngt sich über 7,5 m Länge von 2 m Breite auf 0,4 m Breite und weist für die anschließenden 5 m Länge eine konstante Breite von 0,4 m auf, dargestellt ist ebenfalls die Holzträgerkonstruktion des geschlossenen Gerinnes aus Acrylglas sowie das Beleuchtungssystem aus Infrarotstrahlern, das gesamte Modell hat eine Länge von 30 m und an dessen Ende befindet sich eine verstellbare Klappe zur Regulierung des Wasserstands

© Tom Rößger

Project Data

Website

https://retero.org/

Period

04/2022- 09/2024

Type of Funding

Third Party

Fundgiver

German Federal Ministry of Education and Research

TUD Research Priority Areas (RPAs)

Energy, Mobility and Environment › Water Research

Sustainable Development Goals (SDGs)

SDG 7 – Affordable and Clean Energy

SDG 14 – Life below Water

Keywords

Fish Descent, Ethohydraulics, Hydropower, Physical Modelling, Numerical Modelling

Project Lead

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Stamm © Andrè Terpe

Professor

Name

Mr Prof. Dr.-Ing. Jürgen Stamm

Chair Hydraulic Engineering, Dean Faculty Civil Engineering

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Organization Name

Office of the Chair of Hydraulic Engineering

Office of the Chair of Hydraulic Engineering

Address work

Visiting address:

Haus 116, Room 04-22 August-Bebel-Straße 30

01219 Dresden

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work Tel.
fax Fax
+49 351 463-37120

Office hours:

Please arrange a specific appointment in advance by phone.

Project Management

Márcio Salgueiro Roth © André Terpe

Research Associate

Name

Mr Dipl.-Ing. Márcio Salgueiro Roth

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Office of the Chair of Hydraulic Engineering

Office of the Chair of Hydraulic Engineering

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Visiting address:

Haus 116, Room 04-10 August-Bebel-Straße 30

01219 Dresden

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+49 351 463-37120

Office hours:

Please arrange a specific appointment in advance by e-mail.

Tom Rössger © André Terpe

Research Associate

Name

Mr Dipl.-Ing. Tom Rößger

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Haus 116, Raum 04-11 August-Bebel-Straße 30

01219 Dresden

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work Tel.
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+49 351 463-37120

Project Partners

Partner

Type

Website

Otto von Guericke University of Magdeburg, Institute of Electric Power Systems (IESY)

External

https://www.iesy.ovgu.de/

Otto von Guericke University of Magdeburg, Institute of Fluid Dynamics and Thermodynamics (ISUT)

External

https://www.isut.ovgu.de/

Institute of Freshwater Ecology and Fisheries Biology Jena (IGF)

External

https://igf-jena.de/

sje Ecohydraulic Engineering GmbH (SJE)

External

https://www.sjeweb.de/

Tallinn University of Technology, Centre for Biorobotics (Taltech)

External

https://taltech.ee/en/biorobotics

Publications

Further Information

Funding

About this page

Lars Backhaus
Last modified: Feb 04, 2025