《泄水建築物下游水體氣液傳質機理及其預測研究》是依託華南理工大學，由程香菊擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：泄水建築物下游水體氣液傳質機理及其預測研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：程香菊
- 依託單位：華南理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
泄水建築物下游水體的強紊動混摻可使水中溶解氣體濃度陡增，給水生生物帶來有利或不利影響。如何對泄水建築物下游水體溶解氣體濃度進行準確預測，是生態環境水利學研究的熱點之一。人們雖然已經認識到氣泡界面傳質對溶解氣體濃度的貢獻，但對其氣泡運動行為研究不夠深入，仍然無法準確地預測溶解氣體濃度的變化趨勢。因此，本課題擬在已有工作的基礎上，採用室內試驗、現場觀測以及數值模擬等方法，綜合考慮氣泡聚並和破碎的不同機制，精細描述氣泡大小分布，建立較完善的群體平衡PBM模型；將氣液兩相流CFD模型預測流場和PBM計算氣泡大小分布的優點相結合，確定泄水建築物下游水體的氣液相間傳質；探尋高效而穩定的數值方法，預測不同水力條件下溶解氣體濃度增加的程度，深入揭示強紊動水體氣液傳質的機理和規律。本項目的實施為有效地保護水生態環境和全面評價泄水建築物對水環境的影響提供有力的技術支持，並具有重要的科學意義和廣闊的套用前景。
結題摘要
泄水建築物過流水體的強紊動混摻可使水中溶解氣體，特別是溶解氧的濃度增加，改變了原有的水生動植物環境，給水生動植物帶來了有利或不利影響。如何對泄水建築物過流水體溶解氣體/溶解氧濃度進行準確預測，是生態環境水利學研究的熱點之一。本項目針對水工泄水建築物強紊動摻氣水流的特點，通過理論分析——室內模型實驗——數值模擬計算這一條主線，開展了如下工作： （1）通過大量的室內實驗如階梯溢流壩、廣東省樂昌峽溢流壩、水池微孔曝氣增氧等模型試驗，集中探討了溢流壩設計參數、水體紊動強度、氣泡大小等對水體氣液傳質的影響，建立了氣液傳質係數與溢流壩設計參數、溢流流量、水頭等的數學關係式，分析了強紊動水體氣液傳質的機理和規律； （2）通過理論分析，強紊動摻氣水流的流型屬於氣泡流和液滴流以及兩者的結合。對於氣泡流，水相為連續相，氣相為離散相。而對於液滴流，氣相為連續相，水相為離散相。在此基礎上，對雙流體模型中的氣液相間阻力模型進行了改進和最佳化，充分考慮了氣泡大小分布對摻氣濃度、氣液傳質的影響，將氣液兩相流CFD模擬流場和充分考慮氣泡大小分布的PBM模型相結合，對水躍摻氣水流和階梯溢流壩摻氣復氧現象進行了模擬計算，計算得到的摻氣濃度、摻氣點位置、速度分布、邊界層厚度、溶解氧濃度等均與實驗結果吻合較好； （3）通過建立的強紊動摻氣水流數學模型，預測了不同水力條件下溶解氧濃度增加的程度，討論了表面阻力係數、氣泡阻力係數、單一氣泡直徑和多氣泡直徑對氣液傳質的影響。結果表明：表面阻力係數越大，摻氣量越多，氣液傳質速率越快；反之，摻氣量越少，氣液傳質速率越慢；氣泡尺寸越小，越難從水體中溢出，導致水體摻氣距離越遠，氣液傳質程度越大；氣泡尺寸空間分布對準確模擬摻氣濃度分布有顯著影響。採用改進阻力模型的歐拉模型能較好的模擬摻氣濃度分布、水流特性和溶解氣體濃度，對促進強紊動摻氣水流的數值模擬研究具有重要意義。該項目的研究對有效保護水生態環境和全面評價泄水建築物對水環境的影響提供了強有力的技術支持，並具有重要的科學意義和廣闊的套用前景。
