專利名稱：高速射流摻氣生成過飽和總?cè)芙鈿怏w的實驗裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種水體總?cè)芙鈿怏w(TDG)過飽和技術，特別涉及一種可用于大壩泄 水時下游高速射流摻氣條件下生成過飽和總?cè)芙鈿怏w的實驗裝置，從而對水體過飽和總?cè)?解氣體產(chǎn)生規(guī)律，如摻氣量、下游水墊塘內(nèi)水體總?cè)芙鈿怏w的過飽和水平與壩前總?cè)芙鈿?體飽和度的關系研究的實驗裝置，屬于水利工程水體總?cè)芙鈿怏w過飽和技術領域。
背景技術：
我國許多大型水利工程，根據(jù)其水量調(diào)度需求，需要通過溢洪道、泄洪洞等泄水建 筑物向下游河道泄水。泄水時產(chǎn)生的高速水流伴隨大量摻氣，這種大流量、強摻氣水流在 大壩下游河道會出現(xiàn)過飽和總?cè)芙鈿怏w(TDG)，且這種過飽和總?cè)芙鈿怏w會存在于下游數(shù) 十千米甚至數(shù)百千米水體中，致使魚類等水生生物患氣泡病，甚至造成水生生物大量死亡， 從而對河流水生生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重危害。大壩下游過飽和總?cè)芙鈿怏w的產(chǎn)生主要與摻氣量、摻入氣體在水體內(nèi)的承壓大小 和時間、壩前來流飽和度、壩下水墊塘和河道的水深及流速等諸多因素有關，因此過飽和總 溶解氣體問題屬于復雜的水氣兩相流問題，它涉及到水工水力學、環(huán)境水力學、氣液界面?zhèn)?質(zhì)等許多領域，其研究難度極大。因此，目前關于水體過飽和總?cè)芙鈿怏w的產(chǎn)生機理方面研 究相當匱乏，用于研究的實驗裝置亦缺乏。目前，水利工程中對總?cè)芙鈿怏w過飽和問題通常采用原型觀測、物理模型實驗、機 理實驗、數(shù)值模擬等研究手段。這些研究手段在壩下過飽和總?cè)芙鈿怏w問題的研究中均存 在不同程度的困難和限制性因素。如原型觀測是水利工程中一種常用的水體過飽和總?cè)芙?氣體的研究手段，但觀測者必須到正在泄水的大壩現(xiàn)場觀測，極為不便。另外，這種研究手 段一方面在大壩泄洪中水體流量、流速、摻氣量、下游壓力、水深等諸多物理因素和物理條 件均存在著不可重復性或不可控制性；另一方面，還要為保證水利工程發(fā)電、灌溉等綜合效 益的發(fā)揮，大壩泄水頻率固然較少，且時間短，這又限制了原型觀測工作的開展。同時由于 壩下水墊塘中流速大，流場、摻氣場變化劇烈，所述原型觀測手段尚無法對壩下水墊塘中三 維流場、壓力場及摻氣濃度場等實施高精度測量，因此對大壩下游總?cè)芙鈿怏w過飽和問題 的研究僅僅依靠原型觀測是遠遠不夠的。其次，采用水利工程中常用的小比尺物理模型實驗研究水利工程中對總?cè)芙鈿怏w 過飽和問題也存在很大困難。所謂小比尺物理模型實驗是在一定比尺的大壩模型上進行實 驗，再將模型上的量測結(jié)果按比尺擴展到原型。這一研究手段存在的主要困難在于(1)由 于實驗模型尺度小、摻氣量少及摻入氣體承壓小等因素，因此難于產(chǎn)生總?cè)芙鈿怏w過飽和 現(xiàn)象；(2)壩下水墊塘中摻氣及總?cè)芙鈿怏w分布等物理參數(shù)在模型與實際原型的相似律問 題尚未解決，模型實驗的量測結(jié)果無法“放大”到實際原型；(3)大多數(shù)測量儀器不可避免 地局部改變流場、溫度場、濃度場等，致使測量結(jié)果存在一定誤差。近年來，隨著計算機科學水平的提高及數(shù)值模擬技術的發(fā)展，一些研究者開始嘗 試采用數(shù)值模擬技術研究總?cè)芙鈿怏w過飽和問題。但該模型中諸多物理參數(shù)需要依靠足夠的實驗和原觀數(shù)據(jù)進行率定和驗證。而機理實驗研究是通過實驗裝置，來模擬總?cè)芙鈿怏w 過飽和壓力、摻氣、流速等各種影響總?cè)芙鈿怏w過飽和的物理條件，從而通過研究分析各種 物理條件對過飽和總?cè)芙鈿怏w生成的影響。但目前國內(nèi)外尚沒有發(fā)現(xiàn)能同時實現(xiàn)對總?cè)芙?氣體過飽和問題中多種水流物理條件精確控制的實驗裝置；而高速射流摻氣生成過飽和總 溶解氣體的實驗裝置對總?cè)芙鈿怏w過飽和問題中多種水流物理條件精確控制的同時實現(xiàn)更未見報導。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是針對所述現(xiàn)有技術中所存在的缺陷，提供一種大壩泄水時，高 速射流摻氣條件下生成水體過飽和總?cè)芙鈿怏w的實驗裝置，通過該實驗裝置，可實現(xiàn)對水 體射流流速、摻氣量、壓力、水深等影響過飽和總?cè)芙鈿怏w生成的主要物理條件的測量進行 控制，從而達到對過飽和總?cè)芙鈿怏w摻氣射流的定量化研究；以及對保護河流水生生態(tài)環(huán) 境及建立生態(tài)友好型水利工程具有重要的促進作用。本發(fā)明的目的是通過以下措施構(gòu)成的技術方案來實現(xiàn)的。本發(fā)明高速射流摻氣條件下生成過飽和總?cè)芙鈿怏w的實驗裝置，包括水柱，流量 計，空壓機，總?cè)芙鈿怏w測定儀，按照本發(fā)明，還包括第一閥門，第二閥門和第三閥門，水泵， 水流噴嘴，氣體噴嘴；所述空壓機出口一端與流量計連接，流量計通過第二閥門與氣體噴嘴 連接，氣體噴嘴置于水柱內(nèi)；水泵一端通過管道與水柱底部連通，水泵另一端通過第一閥門 與水流噴嘴連通，水流噴嘴置于水柱內(nèi)；第三閥門安裝于水柱底部左側(cè)；總?cè)芙鈿怏w測定 儀獨立擺放，測定時其探頭插入水柱內(nèi)。上述技術方案中，所述水流噴嘴垂直置于水柱內(nèi)，氣體噴嘴水平置于水柱內(nèi)，水流 噴嘴與氣體噴嘴用固定件將它們捆邦固定，以避免擺動。上述技術方案中，所述水柱內(nèi)的氣體噴嘴出口緊靠水流噴嘴出口下部，且兩噴嘴 出口相互垂直，以便形成高速射流摻氣。上述技術方案中，所述水柱高度設置不小于2m，水柱直徑設置不小于20cm。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有的優(yōu)點及有益的技術效果1、本發(fā)明的實驗裝置克服了由于大壩泄水頻率少、時間短，同時對水流流速和摻 氣量條件的不可控制性和不可重復性，而導致的對大壩采用高速水流泄水時下游總?cè)芙鈿?體過飽和問題研究的困難。2、本發(fā)明的實驗裝置的安裝和測量都極為方便；裝置所需材料及設備投資小，成 本低。3、本發(fā)明的實驗裝置相比原型觀測手段，不僅解決了奔波于不同水電站開展原型 觀測的問題，同時還節(jié)約了大量人力、物力投入。4、利用本發(fā)明的實驗裝置的水泵、水流噴嘴，空壓機、氣體噴嘴組件，可以很方便 的得到高速水流并摻入氣體，再現(xiàn)高速水流剪切氣體的射流摻氣過程，并使水體中總?cè)芙?氣體過飽和；通過對影響總?cè)芙鈿怏w過飽和生成過程的水體壓力、摻氣量、氣泡承壓時間、 水深、流速等因素的精確控制，實現(xiàn)對總?cè)芙鈿怏w過飽和問題的定量化研究。5、利用本發(fā)明的實驗裝置，可以方便地開展摻氣強度、射流速度、紊動強度等水流 特性對大壩下游總?cè)芙鈿怏w過飽和生成規(guī)律的定量影響研究；同時對于進一步探求大壩工程總?cè)芙鈿怏w過飽和影響的減緩措施具有重要的指導意義；并對保護河流水生生態(tài)環(huán)境及建立生態(tài)友好型水利工程具有重要的促進作用。


圖1本發(fā)明高速射流摻氣生成過飽和總?cè)芙鈿怏w的實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的實驗裝置中在高速射流摻氣與總?cè)芙鈿怏w飽和度變化過程曲線圖。
圖中，1水柱，2第一閥門，3第二閥門，4流量計，5空壓機，6總?cè)芙鈿怏w測定儀，7 水泵，8水流噴嘴，9氣體噴嘴，10第三閥門，11固定件。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖并用具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但不意味著對本發(fā)明 內(nèi)容的任何限定。本發(fā)明圖1的高速射流摻氣生成過飽和總?cè)芙鈿怏w的實驗裝置，包括水柱1，第一 閥門2，第二閥門3和第三閥門10，流量計4，空壓機5，水泵7，總?cè)芙鈿怏w測定儀6，水流噴 嘴8，氣體噴嘴9。所述空壓機5出口一端與流量計4連接，流量計4與第二閥門3連接，第 二閥門3再與氣體噴嘴9連接，氣體噴嘴9水平置于水柱1內(nèi)，即與水柱1垂直；水泵7 — 端通過管道與水柱1底部連通，水泵7另一端通過管道連接第一閥門2，第一閥門2經(jīng)管道 連接水流噴嘴8，水流噴嘴8垂直置于水柱1內(nèi)，即與水柱1平行；為避免擺動，用固定件11 將水流噴嘴8與氣體噴嘴9捆綁固定；第三閥門10安裝于水柱1底部左側(cè)；總?cè)芙鈿怏w測 定儀6獨立擺放，測定水體飽和度時，總?cè)芙鈿怏w測定儀6的探頭插入水柱1內(nèi)；在水柱1 柱體外壁上間隔均勻地刻有刻度，其水柱1的上端為敞口與大氣接觸。實施例本實例的高速射流摻氣條件下生成過飽和總?cè)芙鈿怏w的實驗裝置所用儀器設 備1、空壓機5為昆山金誠機電設備有限公司生產(chǎn)的TA-65活塞式空氣壓縮機；2、水泵7為義烏神鷹清洗機集團生產(chǎn)的SY-Q280型高壓清洗機；3、流量計4為上海銀環(huán)流量儀表公司生產(chǎn)的LZB-15型玻璃轉(zhuǎn)子流量計；4、總?cè)芙鈿怏w測定儀6為美國YSI公司生產(chǎn)；5、水柱1內(nèi)實驗水深高度4. 0m。為探求高速射流條件及其摻氣特性在過飽和總?cè)芙鈿怏w產(chǎn)生中的作用，本實施例 的高速、射流摻氣實驗裝置如圖1所示。本實驗借助水泵7產(chǎn)生高速循環(huán)水流，水流噴嘴8 位于水面下3. Om深度，此時水流噴嘴8處流速達到70m/s。水體摻氣通過空壓機5實現(xiàn)，空 壓機5工作壓力為3個大氣壓；氣體噴嘴9的出口緊靠高速水流噴嘴8出口下部，且兩出口 相互垂直，過飽和總?cè)芙鈿怏w測點布置于水下2. 5m處。本實施例共進行了三種實驗工況。工況1的實驗中只啟動水泵7形成高速循環(huán)水 流，不進行空壓機5摻氣；工況2的實驗中只進行空壓機5摻氣，不啟動水泵7的高速循環(huán) 水流；工況3在啟動水泵7形成高速循環(huán)水流的同時還啟動空壓機5摻氣。本實例的實驗過程及操作步驟1、按圖1結(jié)構(gòu)連接好各儀器及構(gòu)件；
2、在水柱1內(nèi)注入實驗所需水深高度4. 0m，水柱上端敞口，與大氣接觸，將總?cè)芙?氣體測定儀6的探頭測點布置于水下2. 5m處；
3、水流噴嘴8和氣體噴嘴9出口交點位于水面下3. Om深度；4、工況1時啟動水泵7閥門，打開第一閥門2，形成高速循環(huán)水流，此時不進行空壓 機摻氣；5、工況2時，打開第三閥門10放水，重新注入新水，重復實驗步驟2 3 ；6、打開空壓機5，調(diào)節(jié)空壓機5使其工作氣壓為3個大氣壓，打開第二閥門3僅進 行摻氣；7、工況3時，打開第三閥門10放水，重新注入新水，重復實驗步驟2 4，同時打開 空壓機5，調(diào)節(jié)空壓機5使其工作氣壓為3個大氣壓，打開第二閥門3，水流噴嘴8噴射高速 水流，強烈剪切氣體噴嘴9摻入的氣體，形成摻氣射流。三種實驗工況所得實驗數(shù)據(jù)見表1。表1本發(fā)明在高速水流摻氣與水體中總?cè)芙鈿怏w飽和度變化過程測得數(shù)據(jù)
工I飽和度(%)
況 Imin 3min 5 mi η 7 min 9 min llmin 13 min 15 min 17min 19 min 21 min 23 min
1100.5 100.6 100.6 100.7 100.8 100.9 101.0 101.1 101.1 101.2 101.3 101.3
2101.8 101.9 104.6 110.5 115.0 119.9 122.5 123.8 124.6 125.0 125.3 125.4
3101.8 103.8 106.8 113.0 117.7 121.2 123.2 124.3 124.8 125.1 125.4 125.4以上實驗結(jié)果如圖2所示曲線。在僅有高速射流情況下的工況1時，盡管高速水 流引起水體強烈紊動，但由于水體僅在自由表面摻氣，摻氣量偏小，造成水中溶解氣體量過 少，測點處總?cè)芙鈿怏w過飽和度僅為101.7%。實驗表明，摻氣是產(chǎn)生過飽和總?cè)芙鈿怏w的 必要條件之一。在不啟動高速循環(huán)射流，僅對水體進行強摻氣情況下的工況2，由于大量的摻氣使 氣泡間相互碰撞，水氣接觸面積變大，同時在靜水壓強和紊動作用下，氣泡溶解速率加快， 迅速達到水深2. 5米探頭處，對應的總?cè)芙鈿怏w過飽和度125. 4%。在對高速射流強烈摻氣 情況下的工況3，氣體遇到高速水流的切割，氣泡尺寸較僅摻氣情況的工況2下更小，水氣 界面面積更大，氣泡溶解速率進一步加快，很快達到對應水深2. 5米探頭處總?cè)芙鈿怏w過 飽和度125. 4%。經(jīng)實驗，工況2比工況3達到相同過飽和度的時間平均縮短了 2min。實驗結(jié)果比較表明，同樣的壩下初始條件，摻氣強度是影響總?cè)芙鈿怏w過飽和生 成速率的重要因素。
權利要求
一種高速射流摻氣生成過飽和總?cè)芙鈿怏w的實驗裝置，包括水柱(1)，流量計(4)，空壓機(5)，總?cè)芙鈿怏w測定儀(6)，其特征在于還包括第一閥門(2)，第二閥門(3)和第三閥門(10)，水泵(7)，水流噴嘴(8)和氣體噴嘴(9)；所述空壓機(5)出口一端與流量計(4)連接，流量計(4)通過第二閥門(3)與氣體噴嘴(9)連接，氣體噴嘴(9)置于水柱(1)內(nèi)；水泵(7)一端通過管道與水柱(1)底部連通，水泵(7)另一端通過第一閥門(2)與水流噴嘴(8)連通，水流噴嘴(8)置于水柱(1)內(nèi)；第三閥門(10)安裝于水柱底部左側(cè)；總?cè)芙鈿怏w測定儀(6)獨立擺放，測定時其探頭插入水柱(1)內(nèi)。
2.根據(jù)權利要求1所述的高速射流摻氣生成過飽和總?cè)芙鈿怏w的實驗裝置，其特征在 于所述水流噴嘴(8)垂直置于水柱(1)內(nèi)，氣體噴嘴(9)水平置于水柱(1)內(nèi)，水流噴嘴與 氣體噴嘴用固定件(11)將它們捆綁固定。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的高速射流摻氣生成過飽和總?cè)芙鈿怏w的實驗裝置，其特 征在于所述水柱(1)內(nèi)的氣體噴嘴(9)出口緊靠水流噴嘴(8)出口下部，且兩噴嘴出口相 互垂直。
4.根據(jù)權利要求1所述的高速射流摻氣生成過飽和總?cè)芙鈿怏w的實驗裝置，其特征在 于所述水柱(1)高度設置不小于2m，其直徑設置不小于20cm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高速射流摻氣生成過飽和總?cè)芙鈿怏w的實驗裝置。包括水柱，流量計，空壓機，總?cè)芙鈿怏w測定儀，還包括第一閥門，第二閥門和第三閥門，水泵，水流噴嘴，氣體噴嘴?？諌簷C與流量計連接，流量計通過第二閥門與氣體噴嘴連接，氣體噴嘴置于水柱內(nèi)；水泵一端與水柱底部連接，水泵另一端通過第一閥門與水流噴嘴連接，水流噴嘴置于水柱內(nèi)；第三閥門安裝于水柱底部；測定時總?cè)芙鈿怏w測定儀插入水柱內(nèi)。本發(fā)明實驗裝置可實現(xiàn)對水體射流流速、摻氣量、壓力、水深等影響過飽和總?cè)芙鈿怏w生成的主要物理條件測量控制，從而達到對過飽和總?cè)芙鈿怏w摻氣射流定量化研究；對保護河流水生生態(tài)環(huán)境及建立生態(tài)友好型水利工程具有重要促進作用。
文檔編號G01N33/18GK101806793SQ20101012419
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月15日 優(yōu)先權日2010年3月15日
發(fā)明者馮鏡潔, 康鵬, 易文敏, 曲璐, 李克鋒, 李嘉, 李然, 鄧云 申請人:四川大學