高坝泄洪消能不同水流结构下气体迁移扩散运动机理研究

Different ways of energy dissipation create different flow structure. The fierce turbulence mixing between high dam flood discharge energy dissipation flow and air, causing oversaturation of total dissolved gas in the downstream water bodies and destroying aquatic organisms the original living environment; at the same time, High-speed flow using forced aeration to prevent cavitation corrosion damage of the flow channel, But the facts of flow cavitation damage are widely exist, the cause of above two problems is the fluid flow structure which plays a crucial role in gas diffusion movement is less considered. At present, there are two main types of Flow of gas diffusion motion research mechanism models; one is operational model about fitting connection type on account of test and the measured data, the other is modal based on physical concept describing the physical process of gas liquid mass transfer. But flow structure on the influence of gas migration is essential, main aspects include research on interaction mechanism of flow structure under liquid surface and bubble surface, the diffusive motion of mixing bubbles and the concentration of dissolved gas distribution of the water. This study can provide flood operation strategy about reducing total dissolved gas saturation of flood discharge energy dissipation downstream water and technical support to prevent flow cavitation damage for water conservancy project. Therefore the research object of this article has significant practical meaning and theoretical value.

不同的消能方式产生不同的水流结构。高坝泄洪消能水流与空气之间紊动掺混激烈，造成下游水体中总溶解气体超饱和，破坏水生生物原有的生存环境；同时高速水流为了流道不发生空化气蚀破坏采用强迫掺气，但流道发生气蚀破坏的事实是大量存在的，导致这两方面的问题就是较少考虑对气体迁移扩散运动起决定作用的水流流体结构。目前水流气体迁移扩散运动机理研究模型主要有两种，一种是基于实验和实测数据为主的拟合关联式的操作模型，另一种是基于物理概念的模型，描述气液传质的物理过程。但水流结构对气体迁移扩散运动的作用是本质，研究水流结构下液面与气泡面的相互作用机理、掺混气泡的迁移扩散运动和水体溶解气体浓度的分布是其本质的主要方面。本研究能为水利工程以降低泄洪消能下游水体总溶解气体饱和度制定泄洪运行策略，避免流道内发生空化气蚀破坏提供技术支撑。因此，研究高坝泄洪消能不同水流结构下气体迁移扩散运动机理具有重大的现实意义和理论价值。

项目的背景：高坝泄洪消能水流与空气之间紊动掺混激烈，造成下游水体中总溶解气体超饱和，破坏水生生物原有的生存环境；同时高速水流流道常发生空化气蚀破坏，导致这两方面的问题就是较少考虑对气体迁移扩散运动起决定作用的水流流体结构。目前水流气体迁移扩散运动机理研究模型主要有两种，一是基于实验和实测数据为主的拟合关联式的操作模型，另是基于物理概念的模型，描述气液传质的物理过程。但水流结构对气体迁移扩散运动的作用是本质，研究水流结构下液面与气泡面的相互作用机理、掺混气泡的迁移扩散运动和水体溶解气体浓度的分布是其本质的主要方面。本研究成果能为水利工程以降低泄洪消能下游水体总溶解气体饱和度制定泄洪运行策略，避免流道内发生空化气蚀破坏提供技术支撑。.主要研究内容：研究高坝消能开展底流消能、跌坎型底流消能、水垫塘消能和明渠弯道水流、水复式明渠完全覆盖、水平涡流二相流水流结构与气体的相互作用机理研究，水流结构下液面与气泡面的相互作用机理、掺混气泡的迁移扩散运动和水体溶解气体浓度的分布。.重要结果：.⑴得到水流表面掺气机理，构建水流表面掺气浓度与水体空气溶解度的关系以及掺气浓度与水体空气溶解度沿程分布规律。.⑵对不同消能工所形成的水流流动结构，给出不同流动结构对掺混气泡的迁移扩散运动机理和相应的水体溶解气体机理及沿程溶解度分布。.⑶获得明渠弯道水流掺气浓度的运动规律、复式明渠完全覆盖下掺气浓度的运动规律和水平涡流掺气浓度分布规律。.⑷得到不同典型水流流动结构与气体相互作用下气体迁移扩散运动机理。.科学意义：.取得较为完整和系统的成果，丰富了水气二相流的理论。为水利工程降低泄洪消能下游水体总溶解气体饱和度制定泄洪运行策略，避免流道内发生空化气蚀破坏具有应用前景。