[发明专利]射流入水TDG饱和度与射流条件相关关系的实验装置

说明书

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。

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。