专利名称：：大坝泄水下游水体过饱和总溶解气体的实验装置的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及一种水体总溶解气体(TDG)过饱和技术，特别涉及一种可用于大坝泄水时下游水体过饱和总溶解气体的产生和释放规律研究的实验装置，属于水利工程溶解气体过饱和
技术领域：
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背景技术：
：我国许多大型水利工程中，根据其水量调度需求，水利工程需要通过溢洪道、泄洪洞等泄水建筑物向下游河道泄水。大坝泄水时其水流会伴随大量掺气，这种大流量、强掺气水流在大坝下游河道会出现过饱和溶解气体，且这种过饱和溶解气体会存在于下游数十千米甚至数百千米水体中，致使鱼类等水生生物患气泡病，甚至造成水生生物大量死亡，从而对河流水生生态系统造成严重危害。大坝下游过饱和总溶解气体(TDG)产生和释放，主要与掺气量、以及掺入气体在水体内的承压大小和时间、坝下水垫塘和河道的水深及流速等诸多因素有关，因此过饱和总溶解气体问题属于复杂的水气两相流问题，它涉及到水工水力学、环境水力学、气液界面传质等许多领域，其研究难度极大。因此，目前关于水体过饱和总溶解气体的产生机理方面研究相当匮乏，用于研究的实验装置亦缺乏。目前，水利工程中对总溶解气体过饱和问题通常采用原型观测、物理模型实验、机理实验、数值模拟等研究手段。这些研究手段在坝下过饱和总溶解气体问题的研究中均存在不同程度的困难和限制性因素。如原型观测是水利工程中一种常用的水体过饱和总溶解气体的研究手段，但观测者必须到正在泄水的大坝现场观测，极为不便。另外，这种研究手段一方面在高坝泄洪中水体流量、流速、掺气量、下游压力、水深等诸多物理因素和物理条件均存在着不可重复性或不可控制性；另一方面，还要为保证水利工程发电、灌溉等综合效益的发挥，高坝泄水频率固然较少，且时间短，这又限制了原型观测工作的开展。同时由于坝下水垫塘中流速大，流场、掺气场变化剧烈，所述原型观测手段尚无法对坝下水垫塘中三维流场、压力场及掺气浓度场等实施高精度测量，因此对大坝下游总溶解气体过饱和问题的研究仅仅依靠原型观测是远远不够的。其次，采用水利工程中常用的小比尺物理模型实验研究水利工程中对总溶解气体过饱和问题也存在很大困难。所谓小比尺物理模型实验是在一定比尺的大坝模型上进行实验，再将模型上的量测结果按比尺扩展到原型。这一研究手段存在的主要困难在于(1)由于实验模型尺度小、掺气量少及掺入气体承压小等因素，因此难于产生总溶解气体过饱和现象；(2)坝下水垫塘中复杂的水流现象、掺气及总溶解气体分布等物理参数在模型与实际原型的相似律问题尚未解决，模型实验的量测结果无法"放大"到实际原型；(3)大多数测量仪器不可避免地局部改变流场、温度场、浓度场等，致使测量结果存在一定误差。近年来，随着计算机科学水平的提高及数值模拟技术的发展，一些研究者开始尝试采用数值模拟技术研究总溶解气体过饱和问题。但该模型中诸多物理参数需要依靠足够的实验和原观数据进行率定和验证。而机理实验研究是通过实验装置，来模拟总溶解气体过饱和压力、掺气、流速等各种影响总溶解气体过饱和的物理条件，从而通过研究分析各种物理条件对总溶解气体过饱和生成和释放过程的影响。
发明内容本实用新型的目的正是针对所述现有技术中所存在的缺陷，提供一种大坝泄水时下游水体过饱和总溶解气体问题的实验装置，通过该实验装置，可实现对水体压力、掺气量、水深、紊动强度等影响过饱和总溶解气体生成和释放过程的主要物理条件的测量控制，从而达到对过饱和总溶解气体生成和释放过程的定量化研究；以及对保护河流水生生态环境及建立生态友好型水利工程具有重要的促进作用。本实用新型的目的是通过以下措施构成的技术方案来实现的。本实用新型大坝泄水时下游水体过饱和总溶解气体的实验装置，其特征在于，包括水柱，流量计，阀门，空压机，总溶解气体测定仪和搅拌器；第一阀门和流量计通过管道分别与水柱底部连接，空压机出口经三通管的一端与流量计连通，空压机出口经三通管另一端与大气连通；总溶解气体测定仪和搅拌器是独立的。上述技术方案中，所述第一阀门与水柱底部的小孔连接并密封，所述流量计与水柱底部的另一小孔连接并密封，水柱顶端为敞口。上述技术方案中，所述水柱其高度设置不小于2m，直径设置不小于20cm。上述技术方案中，所述水柱外壁上间隔均匀地刻有刻度。上述技术方案中，所述水柱外壁上每个刻度处均设置小孔，在每个小孔上连接乳胶管，乳胶管与水柱内水体连通并密封。上述技术方案中，为了测量水柱内水体饱和度，所述乳胶管上均连接有水银测压计。上述技术方案中，所述空压机出口与流量计连通的三通管一端上安装第二阀门。上述技术方案中，所述空压机出口与大气连通的三通管另一端上安装第三阀门。本实用新型与现有技术相比具有的有益技术效果1、本实用新型实验装置克服了由于大坝或高坝泄水频率少、时间短，同时许多物理因素和物理条件的不可控制性和不可重复性，限制了对大坝或高坝泄水下游总溶解气体过饱和问题研究的困难。2、本实用新型实验装置的安装和测量都极为方便；所需材料及设备投资小，成本低。3、本实用新型实验装置相比原型观测手段，不仅解决了奔波于不同水电站开展原型观测的问题，同时还节约了大量人力、物力投入。4、利用本实用新型的实验装置，可以很方便的控制水体水深、压强、掺气量、紊动条件等影响总溶解气体过饱和的一系列重要因素，并可实现对总溶解气体过饱和问题的定量化研究。5、利用本实用新型实验装置，可以方便地开展大坝或高坝下游总溶解气体过饱和生成与释放规律研究；同时对于进一步探求大坝或高坝工程总溶解气体过饱和影响的减缓措施具有重要的指导意义；并对保护河流水生生态环境及建立生态友好型水利工程具有重要的促进作用。图1本实用新型过饱和总溶解气体产生实验装置结构示意图2(a)本实用新型含过饱和总溶解气体的水体释放实验装置示意图2(b)本实用新型总溶解气体过饱和水体的搅拌释放实验与测量示意图3本实用新型在不同掺气量条件下总溶解气体饱和度与水深关系曲线图4本实用新型在不同掺气量条件下总溶解气体饱和度与压强关系曲线图5本实用新型在搅拌器不同转速下水体总溶解气体(TDG)释放结果对比图6本实用新型在400r/min转速下总溶解气体释放过程对比图；图7本实用新型在600r/min转速下总溶解气体释放过程对比图。图中，l水柱，2流量计，3空压机，4总溶解气体测定仪，5搅拌器，6第一阀门，7第二阀门，8第三阀门，9水银测压计，IO乳胶管，ll烧杯，12三通管。具体实施方式以下结合附图、并通过具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但不意味着对本实用新型的任何限定。本实用新型过饱和总溶解气体产生的实验装置结构如图1所示，该实验装置包括有机玻璃水柱l，水柱总高度设置为6米，在水柱外壁每间隔1米刻有刻度；第一阀门6安装在水柱1底部的小孔上并密封，流量计2也安装在水柱1底部的另一小孔上并密封;空压机3出口经三通管12的一端与流量计2连通，在空压机与流量计连通的三通管一端上安装第二阀门7，空压机3出口经三通管12另一端与大气连通；在空压机与大气连通的三通管另一端上安装第三阀门8。在水柱外壁上每间隔为一米刻度处均连接一乳胶管10，乳胶管10与水柱内的水体连通并采用玻璃胶密封，在乳胶管上均连接一u型水银测压计9，通过水银测压计可测量水柱内不同水深处静水压强，并采用总溶解气体测定仪4测量水柱每一刻度的水体所在位置水深处的总溶解气体饱和度。测定仪4还用于测量在不同掺气量条件下水体内总溶解气体饱和度与水深关系，并作出关系曲线图。本实用新型过饱和总溶解气体释放的实验装置结构如图2所示，在图1所示结构上，将水柱为6米刻度处连接的U形水银测压计9与乳胶管10断开，再将烧杯11置于乳胶管10下方，水柱内的水则自动流入烧杯；控制烧杯内不同水深，再用搅拌器5在烧杯内连续搅拌，即得到不同紊动条件下总溶解气体过饱和水体的释放过程。实施例1本实用新型过饱和总溶解气体生成实验装置所用仪器设备1、空压机3为昆山金诚机电设备有限公司生产的TA-65活塞式空气压縮机；2、流量计2为上海银环流量仪表公司生产的LZB-15型玻璃转子流量计；3、总溶解气体测定仪4为美国YSI公司生产的TDG测定仪；4、水银测压计为U型水银测压计。本实验装置过饱和总溶解气体生成的实验步骤(1)、按照图1所示布置连接好各部件；(2)、首先在水柱1中装入自来水至lm刻度处；(3)、打开空压机3，同时打开第二阀门7，使空气通过第二阀门7再通过流量计2从水柱l底部掺入水柱中，通过调节第二阀门开度调节掺气流量，流量大小由流量计2指示，使其掺气流量稳定在0.12m3/min。(4)、此时可看到水柱内自由水面较实验开始前上升了一定高度，记录水面升高值A7/为0.5，及升高后的水柱高度i^为5.0，水柱内的掺气量计算公式为-=A%xI00%，根据此公式计算得到0=，^x100。/。-0^^ox100。/。-10。/。。(5)、通过U型水银测压计9测量其所在不同刻度水深处的静水压强，将总溶解气体测定仪4放置在水柱内不同刻度的水深处，测量得到不同水深处的总溶解气体饱和度。实验数据如表1所示。表1水柱内掺气量为10%时不同水深处的总溶解气体饱和度水深(m)绝对压强(kN/m2)饱和度(100%)0.5102.2104.01.5111.0112.82.5119.8122.93.5128.6134.64.5137.4142.35.5146.3149.9(6)、调节空压机出口的第二阀门7和第三阀门8的开度，改变掺气流量，重复上述实验步骤第(2)(5)步，分别完成掺气流量为0.1m3/min、0.05m3/min条件下的实验测量。在两种掾气流量下测量得到水柱内掺气量分别为8%和5%不同水深处的实验数据如表2和表3所示。表2水柱内掺气量为8%时不同水深处的总溶解气体饱和度:水深绝对压强(kN/m2)饱和度(100%)0.4101.4102.01.4104.9113.02.4115.8126.03.4126.0129.54.4130.8143.55.4143,5148.0表3水柱内掺气量为5%时不同水深处的总溶解气体饱和度水深绝对压强(kN/m2)饱和度(100%)0.25102.3105.01.25109.8112.32.25117.5121.13.25127.9133.94.25135.0143.55.25144.7152.0图3是根据上述实验结果得到的总溶解气体饱和度与水深关系图；图4是总溶解气体饱和度与压强关系图。实验结果表明，水体内总溶解气体饱和度与水深成正比，同时水体内总溶解气体饱和度与压强也成正比。实验结果还表明，掺气量的大小主要是通过影响掺气水体密度和水体内静水压强大小，进而影响到水体内总溶解气体过饱和度。以上实验和结论可以为减少大坝或高坝下游过饱和总溶解气体的生成提供科学依据和指导作用。根据总溶解气体过饱和度与水深和压强的关系，在实际工程中，可以通过设置导流坎、减小泄水流量等措施，尽可能降低坝下水深，减小水流静水压强，减小掺气量，从而达到减小坝下总溶解气体饱和度的目的。这样，就可以避免过饱和总溶解气体生成对水体中鱼类等水生生物的不利影响。实施例2本实用新型过饱和总溶解气体释放实验装置所用仪器设备1、空压机3为昆山金诚机电设备有限公司生产的TA-65活塞式空气压縮机；2、流量计2为上海银环流量仪表公司生产的LZB-15型玻璃转子流量计；3、总溶解气体测定仪4为美国YSI公司生产的TDG测定仪；4、搅拌器5为巩义市予华仪器有限责任公司生产的DW-1-30W型搅拌器；5、水银测压计9为U形水银测压计；6、烧杯11共6个。本实验装置过饱和总溶解气体释放的实验步骤(1)按照图1所示布置连接好各部件；(2)在水柱1中装入自来水至lm刻度处；G)打开空压机3，使空气从水柱底部掺入水中，i，节第二阀门7开度至流量计2指示的掺气流量稳定在0.15m3/min。(4)待水柱内液面稳定后，将水柱6米刻度处连接的U形水银测压计9与乳胶管IO断开，将水柱内总溶解气体过饱和的水用乳胶管10导入2000ml的烧杯内，待烧杯内水深为10cm时，关闭乳胶管，停止放水。(5)将搅拌器5放入烧杯内，控制搅拌器转速为200r/min,连续测量烧杯内水体的总溶解气体饱和度随时间的变化过程，即得到200r/min转速下，烧杯内水深为10cm时，过饱和总溶解气体的释放过程；(6)重复上述步骤(2)~(5)，其中将烧杯内水深改变为20cm,测量烧杯内总溶解气体饱和度随时间的变化过程，即得到200r/min转速下，烧杯内水深为20cm时，过饱和总溶解气体的释放过程；所述步骤(5)和步骤(6)得到的搅拌器200r/min转速下，烧杯内水深分别为10cm和20cm时的过饱和总溶解气体的变化过程数据如表4所示，变化过程图如图5所示。表4搅拌器200r/min转速下总溶解气体饱和度变化过程<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表6搅拌器600r/min转速下总溶解气体饱和度变化过程<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>实验结果表明，水深愈大，水体内静水压强愈大，溶解在水体中的总溶解气体愈不容易释放回到空气中，因此水深愈大造成过饱和总溶解气体的释放过程越缓慢。实验结果还表明，搅拌器转速越高，水体紊动越强烈，总溶解气体过饱和水体与空气之间以及水体内部的交换愈充分，因此过饱和总溶解气体向大气的释放过程愈快，水体内总溶解气体饱和度衰减愈快。以上实验结果可以为大坝或高坝下游过饱和总溶解气体消减措施的确定提供科学依据和指导作用。根据过饱和总溶解气体释放过程与水深和紊动强度的关系，在实际工程中，对于高坝下游含过饱和总溶解气体的水流，可以通过加宽河道、改变河道糙率等工程措施，降低河道水深，同时提高水流的紊动强度，促进水流中过饱和的总溶解气体快速向大气的释放，从而避免了过饱和总溶解气体长期滞留于水流中对鱼类等水生生物造成不利影响。权利要求1.一种大坝泄水下游水体过饱和总溶解气体实验装置，其特征在于，包括水柱(1)，流量计(2)，阀门，空压机(3)，总溶解气体测定仪(4)和搅拌器(5)；第一阀门(6)和流量计(2)通过管道分别与水柱(1)底部连接，空压机(3)出口经一三通管(12)的一端与流量计(2)连通，空压机(3)出口经所述三通管(12)另一端与大气连通；总溶解气体测定仪(4)和搅拌器(5)是独立的。2.根据权利要求1所述的水体过饱和总溶解气体实验装置，其特征在于，所述第一阔门(6)与水柱(1)底部的小孔连接并密封，所述流量计(2)与水柱(1)底部的另一小孔连接并密封，水柱顶端为敞口。3.根据权利要求1所述的水体过饱和总溶解气体实验装置，其特征在于，所述水柱(1)其高度设置不小于2m，直径设置不小于20cm。4.根据权利要求3所述的水体过饱和总溶解气体实验装置，其特征在于，所述水柱(1)外壁上间隔均匀地刻有刻度。5.根据权利要求4所述的水体过饱和总溶解气体实验装置，其特征在于，所述水柱(1)外壁上每个刻度处均设置小孔，每个小孔上连接乳胶管(10)，乳胶管(10)与水柱内水体连通并密封。6.根据权利要求5所述的水体过饱和总溶解气体实验装置，其特征在于，所述乳胶管(10)上均连接有水银测压计(9)。7.根据权利要求1所述的水体过饱和总溶解气体实验装置，其特征在于，所述空压机(3)出口与流量计(2)连通的三通管(12)—端上安装第二阀门(7)。8.根据权利要求1所述的水体过饱和总溶解气体实验装置，其特征在于，所述空压机(3)出口与大气连通的三通管(12)另一端上安装第三阀门(8)。专利摘要本实用新型涉及一种大坝泄水下游水体过饱和总溶解气体实验装置。该装置包括水柱、阀门、流量计、空压机、测压计、总溶解气体测定仪和搅拌器。第一阀门和流量计通过管道分别与水柱底部连接，空压机出口经三通管一端通过第二阀门和流量计连通，空压机出口经三通管另一端通过第三阀门与大气连通；在水柱壁上刻度处连接乳胶管，乳胶管上连接测压计；总溶解气体测定仪和搅拌器是独立的；测量时将总溶解气体测定仪放入水柱中。使用本装置可实现对水体压力、掺气量、水深、紊动强度等影响过饱和总溶解气体生成和释放的主要物理参数的测量控制，以便对其进行定量化分析；从而对保护河流水生生态环境及建立生态友好型水利工程具有重要的促进作用。文档编号G01N33/18GK201203602SQ20082006374公开日2009年3月4日申请日期2008年6月10日优先权日2008年6月10日发明者璐曲,嘉李,然李,李克锋,亮蒋,云邓申请人:四川大学