CN101806793B - 高速射流掺气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射流掺气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，总溶解气体测定仪，还包括第一阀门，第二阀门和第三阀门，水泵，水流喷嘴，气体喷嘴。空压机与流量计连接，流量计通过第二阀门与气体喷嘴连接，气体喷嘴置于水柱内；水泵一端与水柱底部连接，水泵另一端通过第一阀门与水流喷嘴连接，水流喷嘴置于水柱内；第三阀门安装于水柱底部；测定时总溶解气体测定仪插入水柱内。本发明实验装置可实现对水体射流流速、掺气量、压力、水深等影响过饱和总溶解气体生成的主要物理条件测量控制，从而达到对过饱和总溶解气体掺气射流定量化研究；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促进作用。

Description

高速射流掺气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，特别涉及一种可用于大坝泄水时下游高速射流掺气条件下生成过饱和总溶解气体的实验装置，从而对水体过饱和总溶解气体产生规律，如掺气量、下游水垫塘内水体总溶解气体的过饱和水平与坝前总溶解气体饱和度的关系研究的实验装置，属于水利工程水体总溶解气体过饱和技术领域。

背景技术

我国许多大型水利工程，根据其水量调度需求，需要通过溢洪道、泄洪洞等泄水建筑物向下游河道泄水。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总溶解气体(TDG)，且这种过饱和总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的产生主要与掺气量、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，水利工程中对总溶解气体过饱和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，因此对大坝下游总溶解气体过饱和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总溶解气体过饱和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，因此难于产生总溶解气体过饱和现象；(2)坝下水垫塘中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。

近年来，随着计算机科学水平的提高及数值模拟技术的发展，一些研究者开始尝试采用数值模拟技术研究总溶解气体过饱和问题。但该模型中诸多物理参数需要依靠足够的实验和原观数据进行率定和验证。而机理实验研究是通过实验装置，来模拟总溶解气体过饱和压力、掺气、流速等各种影响总溶解气体过饱和的物理条件，从而通过研究分析各种物理条件对过饱和总溶解气体生成的影响。但目前国内外尚没有发现能同时实现对总溶解气体过饱和问题中多种水流物理条件精确控制的实验装置；而高速射流掺气生成过饱和总溶解气体的实验装置对总溶解气体过饱和问题中多种水流物理条件精确控制的同时实现更未见报导。

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，高速射流掺气条件下生成水体过饱和总溶解气体的实验装置，通过该实验装置，可实现对水体射流流速、掺气量、压力、水深等影响过饱和总溶解气体生成的主要物理条件的测量进行控制，从而达到对过饱和总溶解气体掺气射流的定量化研究；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。

本发明高速射流掺气条件下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，总溶解气体测定仪，按照本发明，还包括第一阀门，第二阀门和第三阀门，水泵，水流喷嘴，气体喷嘴；所述空压机出口一端与流量计连接，流量计通过第二阀门与气体喷嘴连接，气体喷嘴置于水柱内；水泵一端通过管道与水柱底部连通，水泵另一端通过第一阀门与水流喷嘴连通，水流喷嘴置于水柱内；第三阀门安装于水柱底部左侧；总溶解气体测定仪独立摆放，测定时其探头插入水柱内。

上述技术方案中，所述水流喷嘴垂直置于水柱内，气体喷嘴水平置于水柱内，水流喷嘴与气体喷嘴用固定件将它们捆邦固定，以避免摆动。

上述技术方案中，所述水柱内的气体喷嘴出口紧靠水流喷嘴出口下部，且两喷嘴出口相互垂直，以便形成高速射流掺气。

上述技术方案中，所述水柱高度设置不小于2m，水柱直径设置不小于20cm。

本发明与现有技术相比具有的优点及有益的技术效果：

1、本发明的实验装置克服了由于大坝泄水频率少、时间短，同时对水流流速和掺气量条件的不可控制性和不可重复性，而导致的对大坝采用高速水流泄水时下游总溶解气体过饱和问题研究的困难。

2、本发明的实验装置的安装和测量都极为方便；装置所需材料及设备投资小，成本低。

3、本发明的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、利用本发明的实验装置的水泵、水流喷嘴，空压机、气体喷嘴组件，可以很方便的得到高速水流并掺入气体，再现高速水流剪切气体的射流掺气过程，并使水体中总溶解气体过饱和；通过对影响总溶解气体过饱和生成过程的水体压力、掺气量、气泡承压时间、水深、流速等因素的精确控制，实现对总溶解气体过饱和问题的定量化研究。

5、利用本发明的实验装置，可以方便地开展掺气强度、射流速度、紊动强度等水流特性对大坝下游总溶解气体过饱和生成规律的定量影响研究；同时对于进一步探求大坝工程总溶解气体过饱和影响的减缓措施具有重要的指导意义；并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本发明高速射流掺气生成过饱和总溶解气体的实验装置的结构示意图；

图2为图1的实验装置中在高速射流掺气与总溶解气体饱和度变化过程曲线图。

图中，1水柱，2第一阀门，3第二阀门，4流量计，5空压机，6总溶解气体测定仪，7水泵，8水流喷嘴，9气体喷嘴，10第三阀门，11固定件。

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。

本发明图1的高速射流掺气生成过饱和总溶解气体的实验装置，包括水柱1，第一阀门2，第二阀门3和第三阀门10，流量计4，空压机5，水泵7，总溶解气体测定仪6，水流喷嘴8，气体喷嘴9。所述空压机5出口一端与流量计4连接，流量计4与第二阀门3连接，第二阀门3再与气体喷嘴9连接，气体喷嘴9水平置于水柱1内，即与水柱1垂直；水泵7一端通过管道与水柱1底部连通，水泵7另一端通过管道连接第一阀门2，第一阀门2经管道连接水流喷嘴8，水流喷嘴8垂直置于水柱1内，即与水柱1平行；为避免摆动，用固定件11将水流喷嘴8与气体喷嘴9捆绑固定；第三阀门10安装于水柱1底部左侧；总溶解气体测定仪6独立摆放，测定水体饱和度时，总溶解气体测定仪6的探头插入水柱1内；在水柱1柱体外壁上间隔均匀地刻有刻度，其水柱1的上端为敞口与大气接触。

实施例

本实例的高速射流掺气条件下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5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、水泵7为义乌神鹰清洗机集团生产的SY-Q280型高压清洗机；

3、流量计4为上海银环流量仪表公司生产的LZB-15型玻璃转子流量计；

4、总溶解气体测定仪6为美国YSI公司生产；

5、水柱1内实验水深高度4.0m。

为探求高速射流条件及其掺气特性在过饱和总溶解气体产生中的作用，本实施例的高速、射流掺气实验装置如图1所示。本实验借助水泵7产生高速循环水流，水流喷嘴8位于水面下3.0m深度，此时水流喷嘴8处流速达到70m/s。水体掺气通过空压机5实现，空压机5工作压力为3个大气压；气体喷嘴9的出口紧靠高速水流喷嘴8出口下部，且两出口相互垂直，过饱和总溶解气体测点布置于水下2.5m处。

本实施例共进行了三种实验工况。工况1的实验中只启动水泵7形成高速循环水流，不进行空压机5掺气；工况2的实验中只进行空压机5掺气，不启动水泵7的高速循环水流；工况3在启动水泵7形成高速循环水流的同时还启动空压机5掺气。

本实例的实验过程及操作步骤：

1、按图1结构连接好各仪器及构件；

2、在水柱1内注入实验所需水深高度4.0m，水柱上端敞口，与大气接触，将总溶解气体测定仪6的探头测点布置于水下2.5m处；

3、水流喷嘴8和气体喷嘴9出口交点位于水面下3.0m深度；

4、工况1时启动水泵7阀门，打开第一阀门2，形成高速循环水流，此时不进行空压机掺气；

5、工况2时，打开第三阀门10放水，重新注入新水，重复实验步骤2～3；

6、打开空压机5，调节空压机5使其工作气压为3个大气压，打开第二阀门3仅进行掺气；

7、工况3时，打开第三阀门10放水，重新注入新水，重复实验步骤2～4，同时打开空压机5，调节空压机5使其工作气压为3个大气压，打开第二阀门3，水流喷嘴8喷射高速水流，强烈剪切气体喷嘴9掺入的气体，形成掺气射流。

三种实验工况所得实验数据见表1。

表1本发明在高速水流掺气与水体中总溶解气体饱和度变化过程测得数据

以上实验结果如图2所示曲线。在仅有高速射流情况下的工况1时，尽管高速水流引起水体强烈紊动，但由于水体仅在自由表面掺气，掺气量偏小，造成水中溶解气体量过少，测点处总溶解气体过饱和度仅为101.7％。实验表明，掺气是产生过饱和总溶解气体的必要条件之一。

在不启动高速循环射流，仅对水体进行强掺气情况下的工况2，由于大量的掺气使气泡间相互碰撞，水气接触面积变大，同时在静水压强和紊动作用下，气泡溶解速率加快，迅速达到水深2.5米探头处，对应的总溶解气体过饱和度125.4％。在对高速射流强烈掺气情况下的工况3，气体遇到高速水流的切割，气泡尺寸较仅掺气情况的工况2下更小，水气界面面积更大，气泡溶解速率进一步加快，很快达到对应水深2.5米探头处总溶解气体过饱和度125.4％。经实验，工况2比工况3达到相同过饱和度的时间平均缩短了2min。

实验结果比较表明，同样的坝下初始条件，掺气强度是影响总溶解气体过饱和生成速率的重要因素。

Claims (3)

1.一种高速射流掺气生成过饱和总溶解气体的实验装置，包括水柱(1)，流量计(4)，空压机(5)，总溶解气体测定仪(6)，其特征在于还包括第一阀门(2)，第二阀门(3)和第三阀门(10)，水泵(7)，水流喷嘴(8)和气体喷嘴(9)；所述空压机(5)出口一端与流量计(4)连接，流量计(4)通过第二阀门(3)与气体喷嘴(9)连接，气体喷嘴(9)置于水柱(1)内；水泵(7)一端通过管道与水柱(1)底部连通，水泵(7)另一端通过第一阀门(2)与水流喷嘴(8)连通，水流喷嘴(8)置于水柱(1)内；第三阀门(10)安装于水柱底部左侧；总溶解气体测定仪(6)独立摆放，测定时其探头插入水柱(1)内。

2.根据权利要求1所述的高速射流掺气生成过饱和总溶解气体的实验装置，其特征在于所述水流喷嘴(8)垂直置于水柱(1)内，气体喷嘴(9)水平置于水柱(1)内，水流喷嘴与气体喷嘴用固定件(11)将它们捆绑固定。

3.根据权利要求1或2所述的高速射流掺气生成过饱和总溶解气体的实验装置，其特征在于所述水柱(1)内的气体喷嘴(9)出口紧靠水流喷嘴(8)出口下部，且两喷嘴出口相互垂直。

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