泄水建筑物下游水体气液传质机理及其预测研究

泄水建筑物下游水体的强紊动混掺可使水中溶解气体浓度陡增，给水生生物带来有利或不利影响。如何对泄水建筑物下游水体溶解气体浓度进行准确预测，是生态环境水利学研究的热点之一。人们虽然已经认识到气泡界面传质对溶解气体浓度的贡献，但对其气泡运动行为研究不够深入，仍然无法准确地预测溶解气体浓度的变化趋势。因此，本课题拟在已有工作的基础上，采用室内试验、现场观测以及数值模拟等方法，综合考虑气泡聚并和破碎的不同机制，精细描述气泡大小分布，建立较完善的群体平衡PBM模型；将气液两相流CFD模型预测流场和PBM计算气泡大小分布的优点相结合，确定泄水建筑物下游水体的气液相间传质；探寻高效而稳定的数值方法，预测不同水力条件下溶解气体浓度增加的程度，深入揭示强紊动水体气液传质的机理和规律。本项目的实施为有效地保护水生态环境和全面评价泄水建筑物对水环境的影响提供有力的技术支持，并具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

泄水建筑物过流水体的强紊动混掺可使水中溶解气体，特别是溶解氧的浓度增加，改变了原有的水生动植物环境，给水生动植物带来了有利或不利影响。如何对泄水建筑物过流水体溶解气体/溶解氧浓度进行准确预测，是生态环境水利学研究的热点之一。本项目针对水工泄水建筑物强紊动掺气水流的特点，通过理论分析——室内模型实验——数值模拟计算这一条主线，开展了如下工作：.（1）通过大量的室内实验如阶梯溢流坝、广东省乐昌峡溢流坝、水池微孔曝气增氧等模型试验，集中探讨了溢流坝设计参数、水体紊动强度、气泡大小等对水体气液传质的影响，建立了气液传质系数与溢流坝设计参数、溢流流量、水头等的数学关系式，分析了强紊动水体气液传质的机理和规律；.（2）通过理论分析，强紊动掺气水流的流型属于气泡流和液滴流以及两者的结合。对于气泡流，水相为连续相，气相为离散相。而对于液滴流，气相为连续相，水相为离散相。在此基础上，对双流体模型中的气液相间阻力模型进行了改进和优化，充分考虑了气泡大小分布对掺气浓度、气液传质的影响，将气液两相流CFD模拟流场和充分考虑气泡大小分布的PBM模型相结合，对水跃掺气水流和阶梯溢流坝掺气复氧现象进行了模拟计算，计算得到的掺气浓度、掺气点位置、速度分布、边界层厚度、溶解氧浓度等均与实验结果吻合较好；.（3）通过建立的强紊动掺气水流数学模型，预测了不同水力条件下溶解氧浓度增加的程度，讨论了表面阻力系数、气泡阻力系数、单一气泡直径和多气泡直径对气液传质的影响。结果表明：表面阻力系数越大，掺气量越多，气液传质速率越快；反之，掺气量越少，气液传质速率越慢；气泡尺寸越小，越难从水体中溢出，导致水体掺气距离越远，气液传质程度越大；气泡尺寸空间分布对准确模拟掺气浓度分布有显著影响。采用改进阻力模型的欧拉模型能较好的模拟掺气浓度分布、水流特性和溶解气体浓度，对促进强紊动掺气水流的数值模拟研究具有重要意义。. 该项目的研究对有效保护水生态环境和全面评价泄水建筑物对水环境的影响提供了强有力的技术支持，并具有重要的科学意义和广阔的应用前景。