CN106596041A - 射流入水tdg饱和度与射流条件相关关系的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置。主要包括饱和度调节池，水泵，TDG过饱和水体生成系统，若干球阀和出水口，接收池，活动出流管，回水箱和TDG测定仪。通过本装置可实现对射流初始TDG饱和度、射流流速、射流滞留时间等影响射流入水TDG饱和度变化的物理参数的测量进行控制，以对其进行定量化分析；明晰高坝泄洪水流射流过程中溶解气体过饱和传质机理，探求射流初始TDG饱和度对下游过饱和TDG生成的影响；为揭示梯级累积影响规律提供实验平台和技术支撑，对保护河流水生生态环境及建立友好型水利工程具有重要促进作用。本装置安装和测量均很方便，操作简单；设备投资少且成本低。

Description

射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置

技术领域

本发明涉及一种总溶解气体(TDG)过饱和技术，特别涉及一种能模拟高坝泄水过程中不同泄流方式下泄洪水流的射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置，属于水利工程TDG过饱和度技术领域。

背景技术

许多水利工程具有防洪、流域径流调节等方面的综合作用，根据流域水量分配和电站运行调度方式，通常需要通过溢流坝和泄水孔等泄水建筑物向下游河道泄水。根据已有研究表明，高坝泄水会导致坝体下游水体中溶解气体的溶解度超过当地大气压下的饱和溶解度，形成总溶解气体(Total Dissolved Gas TDG)过饱和。鱼类在TDG过饱和水体中滞留一定时长后可能患气泡病，甚至导致死亡，从而影响河流水生生态系统的健康和平衡。

泄水下游水垫塘或消力池内高承压环境会造成气体的过量溶解，气体溶解的量的多少即饱和度的高低取决于水垫塘或消力池内气体的溶解过程，且受电站运行调度方式、泄水建筑物布置形式、泄洪消能方式及坝下消能防冲建筑物结构形式等的影响，属于复杂的水气两相流问题。因此，大坝泄水导致TDG过饱和生成的问题属于水工水力学、环境水力学、气液界面传质理论以及生态环境等交叉学科的研究领域，具有较大的研究难度。水利工程实际中通常对水垫塘或消力池内的气体溶解过程近似假定为一阶动力学过程，主要影响因素为承压大小、紊动强度、水垫塘或消力池内的滞留时间以及入水的初始饱和度四个要素。其中，承压大小、紊动强度、水垫塘或消力池内的滞留时间由水垫塘或消力池内消能特性决定，通过过饱和TDG生成预测公式中的相关物理参数或系数考虑；对于水垫塘或消力池入水的初始饱和度，目前国内外预测中均不考虑上游来流初始饱和度的影响，即采用100％饱和度作为入水初始饱和度。这一假定的科学依据目前尚未见文献报道，用于研究的实验装置也相当匮乏。

水利工程中TDG过饱和问题通常采用原型观测、物理模型实验、室内模拟实验等研究手段进行研究。然而，高坝泄水具有水头高、流量大和紊动剧烈等特点，给TDG过饱和问题的研究带来了不同程度的困难和限制性因素。原型观测要求观测者在大坝泄水期间到现场进行实地观测，存在较多难以控制的干扰因素，观测难度大并有一定的不 安全因素，极为不便。且这种研究手段一方面在高坝泄洪中水体流量、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，为保证水利工程发电、灌溉等综合效益的发挥，高坝泄水频率较少，且时间短，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，现有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，因此对高坝下游TDG饱和问题的研究仅仅依靠原型观测是远远不够的，需结合机理试验和数值模拟等手段进行机理性的探讨。

机理实验研究是通过实验装置，模拟射流流速、射流滞留时间和射流初始TDG饱和度等各种影响TDG过饱和射流入水饱和度的物理条件，来进行研究分析各种物理条件对入水饱和度的定性定量关系。通常采用水利工程中常用的小比尺物理模型实验对总溶解气体过饱和的问题进行研究。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)泄水过程中掺气量、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)目前室内实验模拟射流通常采用TDG饱和度为平衡状态即饱和度为100％的水流，无法实现TDG过饱和射流。(4)大多数模型试验仅为单一出水口射流，射流高程受到试验条件的限制；(5)射流水体入水饱和度受下游水垫的影响，试验中难以控制下游水位条件，导致新的传质过程发生，对射流水体入水饱和度的规律研究产生影响。

近年来，随着计算流体力学的发展、计算机科学水平的提高及数值模拟技术的不断进步，研究者相继提出了多种研究总溶解气体过饱和问题的数值模拟技术。但是数值模拟通常以坝下水垫塘或消力池内TDG过饱和生成过程和河道内TDG过饱和的释放为主要研究对象；模型中诸多物理参数仍需要依靠足够的实验和原观数据进行率定和验证，而入水初始饱和度均不考虑上游来流初始饱和度的影响，即采用100％作为初始饱和度。目前国内外尚没有针对电站泄水过程进入水垫塘或消力池之前水流TDG饱和度变化规律的模拟；而射流入水饱和度与射流条件相关关系探讨的实验装置更未见报导。

综上所述，目前缺乏TDG过饱和射流的试验装置，并鲜有关于射流入水饱和度与射流条件相关关系的机理性研究。伴随梯级电站的修建和运行，上下游梯级间存在TDG过饱和度的累积效应，来流初始饱和度的影响不可忽视。因此，针对上述不足设计一种实验装置，以满足室内实验的需要。

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与不足，提供一种能模拟高坝泄水时不同泄流方式下泄洪水流的射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置，通过该实验装置可实现对射流初始TDG饱和度、射流流速、射流滞留时间等影响射流入水TDG饱和度变化的主要物理参数的测量进行控制，以便对射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的定性定量化研究。

为实现本发明的目的，本发明是通过由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明所述射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置，包括TDG过饱和生成系统，回水箱，接收池；按照本发明，还包括饱和度调节池和水泵，若干球阀，三通管和分流管，流量计，射流出口系统和活动出流管；所述饱和度调节池内安装水泵，水泵经第一三通管分别与第一球阀和第二球阀连接，第二球阀经第一分流管回流至饱和度调节池，第一球阀出口经第三三通管一端与第三球阀一端连接；第三球阀另端连接第二三通管一端，第二三通管此端与TDG过饱和水体生成系统连接；第二三通管另端与第四球阀一端连接，第四球阀另端与第二分流管连接，第二分流管与回水箱连通；第三三通管另端与第五球阀连接，第五球阀与流量计一端连接，流量计另端连接射流出口系统；所述接收池位于射流出口系统下方，射流出口系统通过管道与第十一球阀连通，第十一球阀出口连接活动出流管，活动出流管下方为回水箱；TDG测定仪独立摆放，测量时将其放入接收池中。

上述技术方案中，所述射流出口系统包括第六球阀连接的第一出水口，第七球阀连接的第二出水口，第八球阀连接的第三出水口，第九球阀连接的第四出水口，第十球阀连接的第五出水口。

上述技术方案中，于所述射流出口系统中设置的各出水口位于不同高程即高程为依次递减的出水口且并列安装。

上述技术方案中，所述射流出口系统中第十球阀连接的第五出水口即最低高程出水口与接收池连接，而第十一球阀安装于接收池端头为接收池出水口。

上述技术方案中，所述接收池侧面刻度墙设置在与接收池长度平行方向，其高度与射流出口系统中最高处即第一出水口等高。

上述技术方案中，所述第一出水口～第五出水口均为水平射流，并用固定件将它们捆邦固定，以避免摆动。

上述技术方案中，所述饱和度调节池和接收池的顶端均为敞口，并与大气相通。

上述技术方案中，所述接收池的外壁和侧面刻度墙设置有均匀的刻度。

上述技术方案中，所述活动出流管试验前与水平面夹角范围为0°～30°，以调节接收池内水垫厚度为0m～0.5m。

本发明所述的实验装置，可对电站泄洪水流入水饱和度进行定量分析研究，明晰高坝泄洪水流射流过程中溶解气体过饱和传质机理，探求射流初始TDG饱和度对下游过饱和TDG生成的影响，完善过饱和生成预测模型，为揭示梯级累积影响规律提供关键实验平台和技术支撑，为保护河流水生生态环境建立生态友好型水利工程具有重要的促进作用。

本发明所述的实验装置用于模拟高坝泄水时泄洪水流入水初始饱和度与泄洪条件的原理为：在高压条件下使大量气体溶入水体中，形成总溶解气体过饱和；通过调节TDG过饱和水体和饱和度为100％水体的流量比得到试验所需TDG饱和度。所述射流初始TDG饱和度越高，水气界面浓度和梯度越大，传质速率则越快，TDG饱和度释放速率相应增大。气体释放过程为动态过程，由于射流在空中破碎作用，加快了水气传质作用，促进了TDG过饱和度的快速降低，降低或恢复的程度与水流的破碎程度及在空中的流程和时间相关。水平射流条件下，射流初始TDG饱和度和射流速度一定，选择不同高程出水口射流，射流出口与接收池内水位高差距越大，TDG过饱和水体在空气中滞留时间则越长；接收池内水深在满足测量要求的情况下尽量减小水深值，保证射流直接冲击接收池底板，可避免观测期间发生新的传质过程，影响试验准确性和精度。

本发明与现有技术相比具有的特点及有益技术效果：

1、本发明所述射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置，该实验装置不仅解决了奔波于不同水电站开展原型观测的问题，也解决了高坝泄水频率少、持续时间短不能重复长期测量以及入水处TDG饱和度监测难度大、危险系数高的问题。

2、利用本发明所述的实验装置，可通过饱和度调节池控制射流TDG饱和度范围，通过分流管控制射流出口流速，通过选择不同高程出水口射流，以模拟研究不同射流初始TDG饱和度、射流出口流速和射流空中滞留时间对入水饱和度的影响。

3、利用本发明所述的实验装置，可实现接收池水深控制调节要求，通过调节活动出流管倾斜角度，使池内水深既满足测量要求又不会导致新的传质过程发生，以免对试验产生干扰。

4、利用本发明所述的实验装置，可定点观察不同射流条件对水流形态、破碎程度的影响。

5、本发明所述的实验装置，通过对影响射流入水TDG饱和度的射流流速、水流空中滞留时间、射流初始TDG饱和度等因素的精确控制，实现对入水TDG饱和度的定量化研究，同时对进一步探求电站泄水导致TDG过饱和的机理研究和建立更为精确的预测模型具有指导意义，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。

6、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、占地少、成本低、且操作简单。

附图说明

图1为本发明射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置的结构示意图；

图2为本发明射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置中射流出口系统的结构示意图；

图3为本发明实施例1采用图1的实验装置得到的不同出水口射流TDG饱和度变化幅度与射流初始TDG饱和度的关系图；

图4为本发明实施例1采用图1的实验装置得到的不同射流初始TDG饱和度条件下射流TDG饱和度变化幅度与出水口高程的关系图；

图5为本发明实施例1采用图1的实验装置得到的不同出水口在恒定射流初始TDG饱和度、不同射流流速条件下TDG饱和度变化幅度与射流流速关系图。

图中，1饱和度调节池，2水泵，3第一三通管，4第一球阀，5第二球阀，6第一分流管，7TDG过饱和生成系统，8第二三通管，9第三球阀，10第四球阀，11第二分流管，12第三三通管，13第五球阀，14流量计，15射流出口系统，16第六球阀，17第一出水口，18第七球阀，19第二出水口，20第八球阀，21第三出水口，22第九球阀，23第四出水口，24第十球阀，25第五出水口，26侧面刻度墙，27接收池，28第十一球阀，29活动出流管，30回水箱，31TDG测定仪。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不意味着是对本发明所述内容的任何限定。

本发明所述射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置，其总体结构如图1所示，包括TDG过饱和生成系统7，回水箱30，接收池27；按照本发明，还包括饱和度调节池1和水泵2，若干球阀，三通管和分流管，流量计14，射流出口系统15和活动出流管29。所述饱和度调节池1内安装水泵2，，水泵2出水口经第一三通管3 分别与第一球阀4和第二球阀5相连，第二球阀5出水口通过第一分流管6回流至饱和度调节池1，第一球阀4出口经第三三通管12一端与第三球阀9一端连接；第三球阀9另端连接第二三通管8一端，第二三通8此端与TDG过饱和水体生成系统7连接；第二三通管8另端与第四球阀10一端连接，第四球阀10另端与第二分流管11连接，第二分流管11与回水箱30连通；第三三通管12另端与第五球阀13连接，第五球阀13与流量计14一端连接，流量计14另端连接射流出口系统15；所述接收池27位于射流出口系统15下方，射流出口系统15通过管道与第十一球阀28连通，第十一球阀28出口连接活动出流管29，活动出流管29下方为回水箱30；TDG测定仪31独立摆放，测量时将其放入水垫塘中。所述接收池侧面刻度墙26与接收池27长度方向平行，与射流出口系统15中最高处即第一出水口17等高；所述TDG测定仪31可测量接收池27中射流入水总溶解气体饱和度、水温、水压等参数；侧面刻度墙26上按每1m为间隔设置二维网格，实验中可定点观测水舌形态和分散度。

实施例1

本实施例按照图1和图2所示结构布置连接好各仪器设备及部件。

1、本实施例所用的总溶解气体过饱和水体生成系统7采用四川大学自行研发的“大坝泄水下游水体过饱和总溶解气体装置”；

2、所用水泵2为天津源天泵业制造有限公司生产的WQ型不锈钢水泵；

3、所用流量计14为香港晖祥自动化系统有限公司的LWY-50F智能涡轮流量计；

4、所用总溶解气体测定仪31为美国YSI公司生产的TDG测定仪；

5、所用饱和度调节池1容积设定为23m³，回水箱23容积为500m³；

6、选用27个工况对射流入水TDG饱和度与空中滞留时间、射流初始TDG饱和度的相关关系进行试验测试；选用15个工况在特定射流初始过饱和度(TDG饱和度为165％)，不同射流出水口高程及射流流速不同条件下，射流TDG饱和度变化幅度进行试验。

所述射流入水饱和度与射流条件相关关系实验步骤及操作条件和操作过程如下：

1、在饱和度调节池1中装满自来水并充分曝气24小时；

2、将总溶解气体测定仪31探头放入饱和度调节池1中，以测定池内水体TDG饱和度值、水温、水蒸汽压力等水质参数；

3、开启接收池27出口端阀门第十一球阀28，将活动出流管29水平放置，保证试验过程中水垫厚度为0m；

4、开启TDG过饱和水体生成系统7，全开第四球阀10和第六球阀16，第三球阀9局部开启，缓慢打开第五球阀13至全开，使流量计14在小流量情况下运行五分钟，控制第三球阀9和第四球阀10使流量计14读数为5m³/小时，随后保持第四球阀10开度不变，第五球阀13试验过程中保持全开；

5、调整接收池27外活动出流管29出口末端使其与地面高度差为0.1m，使接收池27内蓄起深度为0.1m的水体；

6、开启TDG饱和度，调节TDG过饱和水体生成系统7，由第一球阀4和第二球阀5控制TDG饱和度，调节水流流量，由第三球阀9控制，TDG饱和度调节水流和TDG过饱和水流流量比分别设置为0：5、1：4、2：3、1：1、3：1、4：1，保证流量计读数为5m³/小时；

7、每一组流量比条件下，将总溶解气体测定仪31探头放于射流出口系统15中各试验工况下对应的射流出口，以测定射流初始TDG饱和度值、溶解气体压力、水温、水蒸汽压力等水质参数；

8、每一组流量比条件下，均分别单独开启控制射流出口系统15中第一出水口～第五出水口的球阀，待出水口水流流态稳定，观察射流是否直接冲击接收池底板，利用侧面刻度墙26观测各射流初始TDG饱和度情况下各出水口射流挑距并记录水流分散程度；

9、将总溶解气体测定仪31探头，放入接收池27射流入水点处，以测定入水TDG饱和度值、溶解气体压力、水温、水蒸汽压力等水质参数；

10、如观测过程中出水口流量发生波动，则通过第一球阀～第四球阀对流量进行微调；使其稳定；

11、如观测过程中接收池27内水深高于0.1m，则通过调节第十一球阀28和活动出流管29倾斜角度进行调节；使其低于0.1m；

12、先后关闭第一球阀4和第二球阀5；控制第三球阀9和第四球阀10，调整TDG过饱和水流流量分别为2.0m³/小时、10.0m³/小时、15.0m³/小时、20.0m³/小时；

13、每一流量条件下，分别单独开启控制射流出口系统中第一出水口16的第六球阀17、第三出水口20的第七球阀21、第五出水口24的第八球阀25，待出水口水流流态稳定，观察射流是否直接冲击接收池27底板，利用侧面刻度墙26观测各射流初始TDG饱和度情况下各出水口射流挑距并记录水流分散程度；

14、重复步骤8～步骤13；

15、如观测过程中出水口流量发生波动，则通过第五球阀13对流量进行微调；

16、试验结束，开启第四球阀10至全开，缓慢关闭第三球阀9，关闭第五球阀13和所有出水口阀门，活动出流管29调节为水平放置，待接收池27内水体排尽后，关闭第十一球阀28。

通过实施例1所得实验数据如下面的表1和表2所示。

表1为各工况在特定射流流速，即射流流速为1m/s，不同射流出水口高程及射流初始TDG饱和度不同条件下，射流入水TDG饱和度变化情况统计结果。

表2为15个工况在特定射流初始过饱和度(TDG饱和度为165％)，不同射流出水口高程及射流流速不同条件下，射流TDG饱和度变化幅度结果。

工况编号	出水口高程(m)	射流流速(m/s)	饱和度变化幅度(％)
				1	6.0	0.3	51
2	6.0	0.7	50
				3	6.0	1.4	49
4	6.0	2.1	50
				5	6.0	2.8	50
6	3.0	0.3	35
				7	3.0	0.7	35
8	3.0	1.4	34
				9	3.0	2.1	35
10	3.0	2.8	34
				11	0.5	0.3	21
12	0.5	0.7	22
				13	0.5	1.4	21
14	0.5	2.1	21
				15	0.5	2.8	23

从表1试验结果表明，水平射流条件下，同一射流初始TDG饱和度与入水饱和度的差值随着射流初始TDG饱和度的增大而增大，二者存在一定的线性关系，见图3所示。TDG过饱和的释放为非平衡态向平衡态转化的物理过程，遵从物质扩散的基本定律；水体中TDG饱和度较高，向TDG饱和度处于平衡态即100％的空气中扩散；随着来流初始饱和度的增大，水体与空气的浓度梯度增加，水气传质的驱动力也相应增大，从而促进TDG过饱和的快速降低。同一射流初始TDG饱和度条件下，随着出水口高程的增加，即水流在空中的滞留时间，降低或恢复的程度也相应增加。二者呈负指数关系，见图4所示。随着出水口高程的增加，TDG过饱和快速降低，但当高程增加到一定程度时，TDG饱和度变化幅度逐渐减缓直至平衡。同一射流初始过饱和度如TDG饱和度为165％，不同射流出水口高程及射流流速不同条件下，射流TDG饱和度变化幅度结果如表2所示。从表2可以看出，实验条件下同一高程出水口射流，不同射流流速对射流入水TDG饱和度不具有显著的影响，见图5所示。

综上结果，根据实验所得射流入水TDG饱和度与射流初始TDG饱和度成正比关系如图3～图4所示，与水体在空中的滞留时间成负指数关系。在实际工程中，可以通过电站运行方式和泄水建筑物工程特性对泄洪水流入水TDG饱和度进行估算明晰高坝泄洪水流射流过程中溶解气体过饱和传质机理，探求射流初始TDG饱和度对下游过饱和TDG生成的影响，为揭示梯级累积影响规律提供关键实验平台和技术支撑，完善大坝下游TDG 过饱和生成预测模型，并提高TDG过饱和生成预测的精度，进而结合电站下游水体TDG过饱和释放过程和流域鱼类对总溶解气体饱和度的耐受性，为制定水环境质量标准中TDG饱和度上限、准确评价高坝工程对水生生态系统的影响及保护下游水生生态环境提供理论依据。

Claims (9)

1.一种射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置，包括TDG过饱和生成系统，回水箱，接收池；其特征在于还包括饱和度调节池(1)和水泵(2)，若干球阀，三通管和分流管，流量计(14)，射流出口系统(15)和活动出流管(29)；所述饱和度调节池(1)内安装水泵(2)，水泵经第一三通管(3)分别与第一球阀(4)和第二球阀(5)连接，第二球阀经第一分流管(6)回流至饱和度调节池(1)，第一球阀出口经第三三通管(12)一端与第三球阀(9)一端连接；第三球阀另端连接第二三通管(8)一端，第二三通管此端与TDG过饱和水体生成系统(7)连接；第二三通管另端与第四球阀(10)一端连接，第四球阀另端与第二分流管(11)连接，第二分流管与回水箱(30)连通；第三三通管(12)另端与第五球阀(13)连接，第五球阀与流量计(14)一端连接，流量计另端连接射流出口系统(15)；所述接收池(27)位于射流出口系统下方，射流出口系统通过管道与第十一球阀(28)连通，第十一球阀出口连接活动出流管(29)，活动出流管下方为回水箱(30)；TDG测定仪(31)独立摆放，测量时将其放入接收池中。

2.根据权利要求1所述射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置，其特征在于所述射流出口系统(15)包括第六球阀(16)连接的第一出水口(17)，第七球阀(18)连接的第二出水口(19)，第八球阀(20)连接的第三出水口(21)，第九球阀(22)连接的第四出水口(23)，第十球阀(24)连接的第五出水口(25)。

3.根据权利要求1或2所述射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置，其特征在于所述射流出口系统(15)中设置的各出水口位于不同高程即高程为依次递减的出水口且并列安装。

4.根据权利要求1或2所述射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置，其特征在于所述射流出口系统(15)中第十球阀(24)连接的第五出水口(25)即最低高程出水口与接收池(27)连接，第十一球阀(28)安装于接收池(27)端头为接收池的出水口。

5.根据权利要求1或2所述射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置，其特征在于所述接收池(27)侧面刻度墙(26)设置在与接收池(27)长度平行方向，其高度与射流出口系统(15)中最高处即第一出水口(17)等高。

6.根据权利要求1所述射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置，其特征在于所述第一出水口～第五出水口均为水平射流，并用固定件将它们捆邦固定，以避免摆动。

7.根据权利要求1所述射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置，其特征在于所述饱和度调节池(1)和接收池(27)的顶端均为敞口，并与大气相通。

8.根据权利要求5所述射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置，其特征在于所述接收池(27)的外壁和侧面刻度墙(26)设置有均匀的刻度。

9.根据权利要求1所述射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置，其特征在于所述活动出流管(29)试验前与水平面夹角范围为0°～30°，以调节接收池内水垫厚度为0m～0.5m。