掺气条件下组合式洞塞水气二相混合泄流溶解氧行为特性研究

泄流显著改变河流下游的溶解氧水平。由于水库底层水体溶解氧浓度较低，如不采取增氧措施直接泄流，势必对下游水生环境产生不利影响。本研究以高水头、大流量的洞塞式泄流为主要应用背景，以环境压力剧烈变化条件下溶解氧行为为研究对象，采用理论分析、室内实验和数值模拟方法进行研究，主要内容包括：观测计算掺气条件下组合式洞塞水气二相混合泄流的流速、压力、溶解氧浓度以及紊动特性参数；分析水气二相相互作用模式；研究水体溶解氧对流扩散行为的影响因素和机理，阐释掺气参数（掺气孔位置、大小及掺气量）与溶解氧复杂行为的互动规律；揭示掺气参数与泄流能力、消能率和空化数的内在关联；确定掺气与洞塞段几何参数优化的方法与步骤，阐明组合式洞塞水气二相混合泄流的安全、高效和环境友好运行条件。本项目目标是为洞塞式泄流环境友好运行的工程应用提供设计依据，同时可为相关标准和规范的制定提供参考。

泄流显著改变河流下游的溶解氧水平。水库底层等溶解氧浓度较低的水体直接下泄，势必对下游水生环境产生不利影响。本研究以高水头、大流量的洞塞式掺气泄流为主要应用背景，以环境压力剧烈变化条件下溶解氧输移扩散行为为研究对象，采用理论分析、室内实验和数值模拟相结合的方法进行研究。分析结果发现：（1）洞塞泄流条件下，水头损失系数随洞塞段相对长度增加先降后增，随洞塞半径收缩比降低而增加。（2）二级组合洞塞泄流条件下，第1和第2 级洞塞半径收缩比对水头损失系数和消能比影响较大，相对长度对其影响较小。为有效提高水流空化数，提出了一种渐缩渐扩洞塞体型。在水头损失系数和最小空化数权重相等的前提下，探讨了几何体型参数的优化方法和步骤。（3）水气二相混合水平直管泄流条件下，复氧效率和氧吸收系数与进口气体体积分数、输移时间（或雷诺数）和进口溶解氧相对浓度密切相关。进口气体体积分数越大，进口溶解氧相对浓度越小，输移时间越长，复氧效率越大；进口气体体积分数越小，进口溶解氧相对浓度越小，输移时间越长，氧吸收系数越大。（4）水气二相混合洞塞泄流条件下，复氧效率与洞塞几何体型参数密切相关。洞塞相对长度越大，洞塞半径收缩比越小，溶解氧浓度增量越大。洞塞半径收缩比是影响复氧效率的重要参数。（5）二级组合洞塞水气二相混合泄流条件下，水头损失系数、复氧效率、氧吸收系数与上下游洞塞相对距离密切相关。随着相对距离增加，水头损失系数先增后降，复氧效率和氧吸收系数则先降后增。水头损失系数与复氧效率、氧吸收系数分别呈现一定的负相关。上述结论可以为洞塞掺气泄流的安全、高效和环境友好运行提供有力的理论支持。项目支持下，课题组在Journal of Environmental Engineering-ASCE, Journal of Hydrodynamics等知名期刊和会议上发表(含录用)论文12篇，其中被SCI、EI收录9篇，培养研究生4名。