CN101793888B - 高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置。包括水柱，流量计，空压机，阀门，总溶解气体测定仪；还包括水泵，喷管，喷嘴，出流孔。水柱设计为主水柱和副水柱；主水柱壁上的出流孔连接胶管，胶管上安有第三阀门且与副水柱连通；空压机经第一阀门与流量计一端连接，流量计另一端经三通管与喷管连接，喷管与喷嘴连接，喷嘴置于主水柱内；三通管再经第二阀门与水泵连接，水泵经管道置于副水柱内；第四阀门安装于副水柱底部，第五阀门安装于主水柱底部，总溶解气体测定仪探头插入主水柱内。本发明实验装置能模拟淹没出流和自由出流及不同坝前来流总溶解气体饱和度过程，以研究过饱和水平与坝前总溶解气体饱和度的关系。

Description

高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置

技术领域

本发明涉及一种水体总溶解气体(TDG)过饱和技术，特别涉及一种研究大坝泄水时下游高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置。属于水利工程过饱和总溶解气体技术领域。

背景技术

我国许多大型水利工程中，根据其水量调度需求，水利工程需要通过溢洪道、泄洪洞等泄水建筑物向下游河道泄水。大坝泄水时产生的高速水流伴随大量掺气，这种大流量、强掺气水流在大坝下游河道会出现过饱和溶解气体，且这种过饱和溶解气体会存在于下游数十千米甚至数百千米水体中，致使鱼类等水生生物患气泡病，甚至造成水生生物大量死亡，从而对河流水生生态系统造成严重危害。

大坝下游过饱和总溶解气体(TDG)产生，主要与掺气量、以及掺入气体在水体内的承压大小和时间、坝前来流饱和度、坝下水垫塘和河道的水深及流速等诸多因素有关。因此过饱和总溶解气体问题属于复杂的水气两相流问题，它涉及到水工水力学、环境水力学、气液界面传质等许多领域，其研究难度极大。因此，目前关于水体过饱和总溶解气体的产生机理方面研究相当匮乏，用于研究的实验装置亦缺乏。

目前，水利工程中对过饱和总溶解气体问题通常采用原型观测、物理模型实验、机理实验、数值模拟等研究手段。这些研究手段在坝下过饱和总溶解气体问题的研究中均存在不同程度的困难和限制性因素。如原型观测是水利工程中一种常用的水体过饱和总溶解气体的研究手段，但观测者必须到正在泄水的大坝现场观测，极为不便。另外，这种研究手段一方面在大坝泄洪中水体流量、流速、掺气量、下游压力、水深等诸多物理因素和物理条件均存在着不可重复性或不可控制性；另一方面，还要为保证水利工程发电、灌溉等综合效益的发挥，大坝泄水频率固然较少，且时间短，这又限制了原型观测工作的开展。同时由于坝下水垫塘中流速大，流场、掺气场变化剧烈，所述原型观测手段尚无法对坝下水垫塘中三维流场、压力场及掺气浓度场等实施高精度测量，因此对大坝下游过饱和总溶解气体问题的研究仅仅依靠原型观测是远远不够的。

其次，采用水利工程中常用的小比尺物理模型实验研究水利工程中对过饱和总溶解气体问题也存在很大困难。所谓小比尺物理模型实验是在一定比尺的大坝模型上进行实验，再将模型上的量测结果按比尺扩展到原型。这一研究手段存在的主要困难在于：(1)由于实验模型尺度小、掺气量少及掺入气体承压小等因素，因此难于产生过饱和总溶解气体现象；(2)坝下水垫塘中复杂的水流现象、掺气及总溶解气体分布等物理参数在模型与实际原型的相似律问题尚未解决，模型实验的量测结果无法“放大”到实际原型；(3)大多数测量仪器不可避免地局部改变流场、温度场、浓度场等，致使测量结果存在一定误差。

为解决上述总溶解气体过饱和生成的技术问题，发明人在本发明做出之前，虽然已提出了大坝泄水下游水体过饱和总溶解气体的实验装置，并申请了专利，其专利申请号200810044665.7，以用于研究大坝下游静止水体中过饱和总溶解气体的产生和释放规律与压力、水深等的关系。但对于大坝不同方式泄流时的过饱和总溶解气体生成情况，特别是高坝泄水方式为高速射流时，坝前不同来流饱和度对坝下过饱和总溶解气体的生成情况均不能模拟。

发明内容

本发明的目的正是针对所述现有技术中所存在的缺陷，提供一种大坝泄水时下游水体高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置。通过该实验装置，可实现对水体压力、掺气量、水深、紊动强度等影响过饱和总溶解气体生成的主要物理条件的测量控制，模拟坝前不同来流饱和度对坝下过饱和总溶解气体的生成情况，从而达到对过饱和总溶解气体生成过程的定量化研究与分析；以及对保护河流水生生态环境及建立生态友好型水利工程具有重要的促进作用。

本发明的目的是通过以下措施构成的技术方案来实现的。

本发明的高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置，包括水柱，阀门，三通管，流量计，空压机，总溶解气体测定仪；按照本发明，还包括水泵，喷管，喷嘴，胶管和出流孔，所述水柱设计为主水柱和副水柱；在主水柱壁上设置有出流孔，出流孔连接胶管，胶管与副水柱连通，第三阀门安装于胶管上；所述空压机出口一端通过第一阀门与流量计一端连接，流量计另一端通过三通管一端与喷管连接，喷管与喷嘴连接，喷嘴置于主水柱内；三通管另一端通过第二阀门与水泵连接，水泵与副水柱连通；第四阀门安装于副水柱底部，第五阀门安装于主水柱底部，所述总溶解气体测定仪为独立摆放，测定时将总溶解气体测定仪探头插入主水柱内。

上述技术方案中，所述主水柱与副水柱独立设置为等高的两个水柱。

上述技术方案中，所述主水柱与副水柱其高度不小于2m，主水柱直径不小于20cm，副水柱直径等于主水柱直径的1.5倍。

上述技术方案中，所述主水柱外壁上刻有间隔均匀的刻度。

上述技术方案中，所述主水柱外壁上高于每个刻度处均设置有出流孔，每个出流孔上均连接一胶管。

上述技术方案中，所述每一胶管上均安装有第三阀门。

上述技术方案中，所述喷管为软管材质，使其能自如伸缩改变其长度。

本发明高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置中，空压机提供气体在经过三通管时携带通过水泵而来的水体形成挟水气流，当喷嘴在水面下时即形成淹没射流，当喷嘴在水面上时即形成自由射流；通过主水柱及副水柱以及水泵循环供水还可以模拟坝前水体已经存在过饱和总溶解气体的情况。

本发明与现有技术相比具有的优点及有益技术效果：

1、本发明的实验装置克服了由于大坝泄水频率少、时间短，同时许多物理因素和物理条件的不可控制性和不可重复性，而导致的对大坝泄水下游过饱和总溶解气体问题研究的困难。

2、本发明实验装置的安装和测量都极为方便；所需材料及设备投资小，成本低。

3、本发明实验装置相比原型观测手段，不仅解决了奔波于不同水电站开展原型观测的问题，同时还节约了大量人力、物力投入。

4、利用本发明实验装置中的三通管、水泵、空压机、喷嘴等组件，可以很方便的得到高速气流并挟带水流，使水体中总溶解气体过饱和；通过控制水体水深、压强、掺气量、流速、紊动条件等影响过饱和总溶解气体的一系列重要因素，实现对过饱和总溶解气体问题的定量化分析与研究。

5、利用本发明的实验装置，能模拟淹没出流、自由出流以及不同坝前来流总溶解气体饱和度的过程，方便地开展大坝下游过饱和总溶解气体生成规律中，有关掺气量、下游水垫塘内总溶解气体的过饱和水平与坝前总溶解气体饱和度关系的研究；同时对于进一步探求大坝工程过饱和总溶解气体影响的减缓措施具有重要的指导意义；对保护河流水生生态环境及建立生态友好型水利工程具有重要的促进作用。

附图说明

图1本发明气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置的结构示意图；

图2本发明在气流挟水射流时总溶解气体饱和度变化过程曲线图。

图中，1主水柱，2副水柱，3空压机，4第一阀门，5流量计，6第二阀门，7水泵，8第三阀门，9喷管，10总溶解气体测定仪，11三通管，12胶管，13出流孔，14第四阀门，15第五阀门，16喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图并用具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不意味着对本发明内容的任何限定。

图1中，高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置，包括水柱，阀门，三通管，空压机，流量计，总溶解气体测定仪；还包括水泵7，喷管9，喷嘴16，胶管和出流孔13。所述水柱设计为独立等高的主水柱1和副水柱2；所述主水柱外壁上刻有间隔均匀的刻度，在主水柱1壁上高于每个刻度处均设置有出流孔13，每个出流孔13均连接一胶管12，胶管12与副水柱2连通，在每个胶管12上安装有第三阀门8，这样设置便于测定总溶解气体过饱和度时控制实验水深恒定；所述空压机3出口一端经过第一阀门4与流量计5一端连接，流量计5另一端通过三通管11一端与喷管9连接，喷管9与喷嘴16连接，喷嘴16直接置于主水柱1内，喷管9为软管材质做成，使其能自如伸缩改变其长度；三通管11另一端通过第二阀门6与水泵7连接，水泵7进水管置于副水柱2内；第四阀门14安装于副水柱2底部，第五阀门15安装于主水柱1底部；所述主水柱1和副水柱2顶端均为敞口，所述总溶解气体测定仪10独立摆放，测定时总溶解气体测定仪探头插入主水柱1内进行水体过饱和总溶解气体的测量。

实施例1

本发明高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置所用仪器设备：

1、空压机3为昆山金诚机电设备有限公司生产的TA-65活塞式空气压缩机；

2、流量计5为上海银环流量仪表公司生产的LZB-15型玻璃转子流量计；

3、总溶解气体测定仪10为美国YSI公司生产的TDG测定仪。

本发明高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验步骤及操作过程：

首先按图1结构连接好各仪器及构件，本实验分为水面上自由射流和淹没出流两种工况；

1、工况1为自由射流，喷嘴16在主体水柱1水面上，距水面0.5m；

2、在主体水柱1内注入水深至出流孔13的高度1.08m，此时出流孔13连接的第三阀门8关闭；

3、在副水柱2中注入水深0.25m；

4、打开出流孔13连接的第三阀门8；

5、打开空压机3，将其工作气压调节为3个大气压；

6、打开第一阀门4鼓气，然后开启水泵7并开启第二阀门6；

7、此时高速气流在流过三通管11处时挟水，形成射流；主体水柱1内多余的水通过出流孔13溢流，而此时实验主水柱1的水深保持稳定；

8、工况2为淹没出流，喷嘴16在主体水柱1内水面下，距水面0.5m；打开第四阀门14和第五阀门15将主体水柱1和副水柱2中水完全放出后关闭，重复实验步骤2～7并测量总溶解气体过饱和度。

本实验模拟了以前难以模拟的水面上自由射流和淹没出流两种坝下泄流情况，对这两种情况下过饱和总溶解气体生成的情况、及气泡在水中滞留时间的不同进行了研究，并对下游水垫塘内总溶解气体的过饱和水平与坝前总溶解气体饱和度关系进行了研究。实验结果见表1。

表1本发明在高速气流挟水射流时水体中总溶解气体过饱和度变化过程测量数据

图2是根据上述实验结果得到的高速气流挟水射流时总溶解气体饱和度变化过程曲线图。从图中可以看出自由射流由于掺气量小，水体产生的总溶解气体过饱和度明显偏小，气体没有足够时间溶解，即使在击打瞬间产生了较低程度的总溶解气体过饱和，但水中的气体缺乏足够的动力带动到深水，未能形成较高浓度的过饱和水。高速气流挟水在淹没出流的情况下，水体中溶解气体迅速达到该深度压力条件下所能达到的最大过饱和度。因此，实验说明在强掺气条件下，压力即水深是水体中总溶解气体过饱和的必要条件之一，同时，气泡在水中滞留时间也是影响水体总溶解气体过饱和的主要因素。实验表明，来流水体中总溶解气体过饱和度并不影响水体最终达到的最大过饱和度，由此推理认为，大坝泄水时，下游水垫塘内总溶解气体的过饱和水平与坝前总溶解气体饱和度无关。

Claims (7)

1.一种高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置，包括水柱，阀门，三通管，流量计，空压机，总溶解气体测定仪；其特征在于还包括水泵(7)，喷管(9)，喷嘴(16)，胶管(12)和出流孔(13)，所述水柱设计为主水柱(1)和副水柱(2)；在主水柱(1)壁上设置有出流孔(13)，出流孔(13)连接胶管(12)，胶管与副水柱(2)连通，第三阀门(8)安装于胶管(12)上；所述空压机(3)出口一端通过第一阀门(4)与流量计(5)一端连接，流量计(5)另一端通过三通管(11)一端与喷管(9)连接，喷管(9)与喷嘴(16)连接，喷嘴(16)置于主水柱(1)内；三通管(11)另一端通过第二阀门(6)与水泵(7)连接，水泵(7)与副水柱(2)连通；第四阀门(14)安装于副水柱(2)底部，第五阀门(15)安装于主水柱(1)底部，所述总溶解气体测定仪(10)独立摆放，测定时将总溶解气体测定仪的探头插入主水柱(1)内。

2.根据权利要求1所述高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置，其特征在于所述主水柱(1)与副水柱(2)独立设置为等高的两个水柱。

3.根据权利要求1或2所述高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置，其特征在于所述主水柱(1)与副水柱(2)的高度均不小于2m，主水柱(1)直径不小于20cm，副水柱(2)直径等于主水柱(1)直径的1.5倍。

4.根据权利要求1所述高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置，其特征在于所述主水柱(1)外壁上刻有间隔均匀的刻度。

5.根据权利要求4所述高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置，其特征在于所述主水柱(1)外壁上高于每个刻度处均设置有出流孔(13)，每个出流孔(13)上均连接一胶管(12)。

6.根据权利要求5所述高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置，其特征在于所述每一胶管(12)上均安装有第三阀门(8)。

7.根据权利要求1所述高速气流挟水形成射流生成过饱和总溶解气体的实验装置，其特征在于所述喷管(9)为软管材质，使其能自如伸缩改变其长度。

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