CN101793889B - 坝下过饱和总溶解气体产生与气泡尺寸关系的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种坝下过饱和总溶解气体产生与气泡尺寸关系的实验装置。包括水柱，总溶解气体测定仪，空压机，流量计，阀门；还包括转动轴承，气腔，筛网。第一，第二和第三阀门并列安装于水柱外底部；三个阀门分别与第一，第二和第三流量计连接，三个流量计均与空压机连接；气腔安装在水柱内底部均与水柱外底部三个阀门连接；第一筛网安装于气腔上面，第二筛网平行置于第一筛网上面，且与转动轴承连接；测定时总溶解气体测定仪探头***水柱内。本发明可实现对影响过饱和总溶解气体生成中气泡尺寸、水体压力、掺气量、气泡承压时间、水深等因素进行控制，利用该装置可开展对过饱和总溶解气体中有关气泡尺寸与TDG过饱和关系的定量分析。

Description

坝下过饱和总溶解气体产生与气泡尺寸关系的实验装置

技术领域

本发明涉及一种水体过饱和总溶解气体(TDG)研究技术，特别涉及一种可用于大坝泄水时坝下水体过饱和总溶解气体产生规律中与气泡尺寸关系研究的实验装置，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总溶解气体过饱和现象，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***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及实验装置均相当匮乏。

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，(专利申请号200810044665.7)，以用于对大坝下游静止水体中过饱和总溶解气体与压力、水深关系的机理研究。但对于大坝泄水时坝下水体过饱和总溶解气体产生规律中与气泡尺寸关系研究的实验装置尚还缺乏。

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，坝下过饱和总溶解气体(TDG)产生与气泡尺寸关系的实验装置。通过该实验装置，主要在测量控制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的基础上，实现对水体中气泡尺寸的控制，从而达到对过饱和总溶解气体生成过程的定量化研究分析；以及对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。

本发明的目的是通过以下措施构成的技术方案来实现的。

本发明坝下过饱和总溶解气体产生与气泡尺寸关系的实验装置，包括水柱，总溶解气体测定仪，空压机，流量计，阀门；按照本发明，其特征在于还包括第一流量计，第二流量计和第三流量计，第一阀门，第二阀门和第三阀门，转动轴承，气腔，第一筛网和第二筛网；所述第一阀门，第二阀门和第三阀门通过管道并列安装于水柱外底部；第一阀门，第二阀门和第三阀门分别与所述第一流量计，第二流量计和第三流量计连接，三个流量计均与空压机连接；所述气腔安装在水柱内底部，并通过管道与水柱外底部的第一阀门，第二阀门和第三阀门连通；所述第一筛网安装于气腔上面，第二筛网安装于第一筛网上面且与第一筛网平行，第二筛网与转动轴承连接；所述总溶解气体测定仪独立摆放，测定时其探头***水柱内。

上述技术方案中，所述水柱高度的设置不小于2.5m，水柱直径的设置不小于40cm。

上述技术方案中，所述气腔高度设置在30～50cm之间，其直径应小于第一筛网和第二筛网直径。

上述技术方案中，所述第一筛网与第二筛网相互贴近，但又应使其两者不发生相互摩擦。

本发明与现有技术相比具有的有益技术效果：

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限制了对大坝或大坝泄水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气腔、转动轴承、筛网组件，可以很方便的控制气泡尺寸、掺气量、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水深、压强、掺气量、气泡承压时间等一系列重要因素的控制，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的气腔，可以方便地开展大坝下游总溶解气体过饱和生成规律中有关气泡尺寸的研究；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本发明的实验装置的结构示意图；

图2本发明的实验装置在气泡尺寸与水体中总溶解气体过饱和度变化过程曲线图。

附图中，1水柱，2转动轴承，3总溶解气体测定仪，4空压机，5第一流量计，6第一阀门，7气腔，8第一筛网，9第二筛网，10第二阀门，11第三阀门，12第二流量计，13第三流量计。

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描述，但并不意味着对本发明内容的任何限制。

图1中，本发明的实验装置包括水柱1，总溶解气体测定仪3，空压机4，阀门和流量计；还包括转动轴承2，第一阀门6，第二阀门10和第三阀门11，第一流量计5，第二流量计12和第三流量计13，气腔7，第一筛网8和第二筛网9。所述第一阀门6，第二阀门10和第三阀门11通过管道并列安装于水柱1外底部，第一阀门6，第二阀门10和第三阀门11分别与所述第一流量计5，第二流量计12和第三流量计13连接，三个流量计均与空压机4连接；所述气腔7安装在水柱1内底部，并通过管道与水柱外底部的第一阀门6，第二阀门10和第三阀门11连通；所述第一筛网8安装于气腔7上面，第二筛网9安装于第一筛网8上面且与第一筛网平行，且大小相等，第一筛网8与第二筛网9相互贴近，但又应保持两者不发生相互摩擦；第二筛网9与转动轴承2连接；所述总溶解气体测定仪3独立摆放，测定时将其探头***水柱1内，水柱1的上端为敞口与大气连通。

实施例

1、空压机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(TDG)4为美国YSI公司生产。

4、转动轴承2为杭州先锋调速电机有限公司生产的YCT132调速电动机。

本实例坝下过饱和总溶解气体产生与气泡尺寸关系的实验装置如图1所示，利用该装置，可验证气泡尺寸在过饱和总溶解气体生成中的作用。本实例的实验装置中水柱1直径为0.4m；气腔7高为0.5m、其直径为0.2m；第一筛网8、第二筛网9均为孔径150um的金属筛网，第一筛网8固定在气腔7上表面，第二筛网9安装在水平旋转的转动轴承2的转轴上；第一筛网8和第二筛网9两层筛网相互贴近，但又保持两者不发生相互摩擦；总溶解气体测定仪3的探头位置在水面下1.1m处。

本实验为比较气泡大小，对气泡进行了剪切，进行了两种实验工况，其中工况1中拆除了转动轴承2及其连接的第二筛网9，工况2则恢复其结构。

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、工况1时在水柱1内注入实验所需水深高度1.8m，水柱上端敞口，与大气接触，总溶解气体测定仪3开启；

3、打开空压机4调节其工作压力为3个大气压；

4、打开第一阀门6，第二阀门10，第三阀门11向气腔7内供气；产生的气体通过安装在气腔7上的第一筛网8后，形成气泡溢出；

5、工况2时重新注入新水至水深高度1.8m，重复实验步骤2～3，开启转动轴承2，使得与其连接的第二筛网9进行高速旋转；

6、重复步骤4，空压机4产生的气体通过安装在气腔7上的第一筛网8后，又遇到第二筛网9的高速旋转剪切，变为极小的气泡向水中扩散。

本实验中，在各不同时间的不同气泡尺寸产生的总溶解气体饱和度数据见表1，其气泡尺寸与水体中总溶解气体过饱和度变化过程如图2曲线所示。

表1气泡尺寸与水体中总溶解气体过饱和度关系实验数据

通过工况1和工况2两组实验结果比较表明，在没有安装第二筛网9时，水体中气泡尺寸较大，紊动较弱，总溶解气体过饱和上升速率较有安装第二筛网9切割时缓慢。由此说明，气泡尺寸愈小，水气接触面积愈大，水体中总溶解气体过饱和的生成速率愈快。

Claims (1)

1.一种坝下过饱和总溶解气体产生与气泡尺寸关系的实验装置，包括水柱(1)，总溶解气体测定仪(3)，空压机(4)，流量计，阀门；其特征在于还包括第一流量计(5)，第二流量计(12)和第三流量计(13)，第一阀门(6)，第二阀门(10)和第三阀门(11)，转动轴承(2)，气腔(7)，第一筛网(8)和第二筛网(9)；所述第一阀门，第二阀门和第三阀门通过管道并列安装于水柱外底部；第一阀门，第二阀门和第三阀门分别与所述第一流量计，第二流量计和第三流量计连接，三个流量计均与空压机连接；所述气腔安装在水柱(1)内底部，并通过管道与水柱外底部的第一阀门，第二阀门和第三阀门连通；所述第一筛网(8)安装于气腔(7)上面，第二筛网(9)安装于第一筛网上面且与第一筛网平行且相互贴近，但两者又不发生相互摩擦；第二筛网与转动轴承连接；总溶解气体测定仪独立摆放，测定时其探头***水柱内；所述水柱(1)高度不小于2.5m，其直径不小于0.40m；所述气腔(7)高度为0.30～0.50m，其直径应小于第一筛网(8)和第二筛网(9)直径。

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