摘要
总溶解气体过饱和（Total Dissolved Gas, 简称“TDG”）主要由水坝泄流、水中植物光合作用产氧过剩和水体温度剧增等方式产生，这可能直接导致特定的鱼类和水中生物患有“气泡病”（Gas Bubble Disease，简称“GBD”）甚至死亡。随着水利工程的建设与运行，大坝泄流导致下游水中TDG过饱和及其对水中动植物的危害已成为重要的研究热点。然而，减缓过饱和TDG危害的相关措施主要有虹吸法、填料柱法、活性炭吸附、种植水草、工程措施、运行调度和生态功能利用等等，但传统的减缓措施已经满足不了降低过饱和TDG生成或加速过饱和TDG释放的效果。对比以往的研究成果，曝气对气-液交界面传质具有明显地促进作用，但曝气对过饱和TDG释放的研究尚少。因此，本文运用了室内机理试验和数值模拟等方法，研究了过饱和TDG生成机理、曝气对过饱和TDG释放的作用效果及其定量关系和过饱和TDG浓度预测模型，其主要研究内容和结论如下： （1）气-液两相经过文丘里管充分掺混，水流卷吸气体形成强惨气水流，其进入承压罐体内气体压强急剧增大，气体溶解度较常压下显著提高，导致大量气体溶解，超过当地大气压对应的溶解度，形成TDG过饱和。建立了试验条件与过饱和TDG生成浓度的关系及其关系呈幂函数关系和正相关关系，并进一步地建立了雷诺数Re等无量纲与过饱和TDG生成浓度G的数学模型。 （2）四种曝气方式对过饱和TDG释放具有明显地促进作用。由于不同的曝气条件，导致过饱和TDG释放所需时间的平均量及其传质系数的平均变化量也不同，试验结果表明：在三个要素的影响下，曝气量对过饱和TDG释放起促进作用，而曝气深度和曝气孔径对其释放起抑制作用。但在微孔曝气管曝气试验中，曝气长度对过饱和TDG释放具有显著地促进作用，解决了曝气孔径的抑制作用影响。此外，随着曝气量的增加，加速了气泡群体的搅拌扩散作用，从而增强了气-液交界面传质和水体表面传质的作用。 （3）在针孔曝气试验中，建立了过饱和DO/TDG传质系数比值及其传质系数KTDG与曝气条件的定量关系。其中，曝气量与过饱和TDG传质系数比值β及其传质系数KTDG呈幂函数和正相关关系，而曝气深度和曝气孔径与其呈幂函数关系和负相关关系，并建立了过饱和DO的传质系数KDO和过饱和TDG的传质系数KTDG关系。 （4）在微孔曝气管曝气、漩混曝气和微孔曝气盘曝气试验中，过饱和TDG传质系数比值（ω、Ψ、ζ、）及其传质系数KTDG与曝气条件的定量关系和针孔曝气试验所建立的关系式相同。但微孔曝气管曝气试验中过饱和TDG传质系数比值ω及其传质系数KTDG与曝气长度L呈幂函数和正相关关系。附加了过饱和TDG传质系数KTDG与雷诺数Re等无量纲的数学模型。 （5）在不同曝气条件下，TDG的利用率表现出共同的特征：曝气深度对TDG利用率的影响最大，曝气量的影响次之，曝气孔径/曝气长度的影响最小。在这三种曝气方式中，随着曝气量和曝气深度的增大，TDG利用率：微孔曝气盘方式＞漩混曝气方式＞微孔曝气管方式，而随着曝气深度的增大，微孔曝气管方式＞漩混曝气方式＞微孔曝气盘方式。 （6）基于气-液两相流的传质模型研究，选取了微孔曝气盘的试验工况为曝气量Q=1.0m3/h，曝气深度H=0.8m，曝气孔径θ=260mm进行二维过饱和TDG浓度预测模型研究，则当参数β=10.52时，过饱和TDG浓度预测模型的结果与试验工况较为吻合。该模型表现出共同的特征为：在曝气条件下，加速了过饱和TDG的释放，致使微孔曝气盘两侧的浓度值较高，左侧的浓度区域面积更高于右侧的浓度区域面积，而在曝气盘的中间部位显示出TDG浓度值较低，并分析了该模型的水动力学特征，在微孔曝气盘的压强最小，但其两侧上方的压强最大和区域面积相近，与气体压强的特征相反，而气体流速和湍流强度呈对称分布。
NETL