泄水建筑物下游水體氣液傳質(zhì)機(jī)理及其預(yù)測研究

泄水建筑物過流水體的強(qiáng)紊動(dòng)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(dòng)植物環(huán)境，給水生動(dòng)植物帶來了有利或不利影響。如何對泄水建筑物過流水體溶解氣體/溶解氧濃度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，是生態(tài)環(huán)境水利學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。本項(xiàng)目針對水工泄水建筑物強(qiáng)紊動(dòng)摻氣水流的特點(diǎn)，通過理論分析——室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)——數(shù)值模擬計(jì)算這一條主線，開展了如下工作： （1）通過大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(yàn)，集中探討了溢流壩設(shè)計(jì)參數(shù)、水體紊動(dòng)強(qiáng)度、氣泡大小等對水體氣液傳質(zhì)的影響，建立了氣液傳質(zhì)系數(shù)與溢流壩設(shè)計(jì)參數(shù)、溢流流量、水頭等的數(shù)學(xué)關(guān)系式，分析了強(qiáng)紊動(dòng)水體氣液傳質(zhì)的機(jī)理和規(guī)律； （2）通過理論分析，強(qiáng)紊動(dòng)摻氣水流的流型屬于氣泡流和液滴流以及兩者的結(jié)合。對于氣泡流，水相為連續(xù)相，氣相為離散相。而對于液滴流，氣相為連續(xù)相，水相為離散相。在此基礎(chǔ)上，對雙流體模型中的氣液相間阻力模型進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，充分考慮了氣泡大小分布對摻氣濃度、氣液傳質(zhì)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(jié)合，對水躍摻氣水流和階梯溢流壩摻氣復(fù)氧現(xiàn)象進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算得到的摻氣濃度、摻氣點(diǎn)位置、速度分布、邊界層厚度、溶解氧濃度等均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好； （3）通過建立的強(qiáng)紊動(dòng)摻氣水流數(shù)學(xué)模型，預(yù)測了不同水力條件下溶解氧濃度增加的程度，討論了表面阻力系數(shù)、氣泡阻力系數(shù)、單一氣泡直徑和多氣泡直徑對氣液傳質(zhì)的影響。結(jié)果表明：表面阻力系數(shù)越大，摻氣量越多，氣液傳質(zhì)速率越快；反之，摻氣量越少，氣液傳質(zhì)速率越慢；氣泡尺寸越小，越難從水體中溢出，導(dǎo)致水體摻氣距離越遠(yuǎn)，氣液傳質(zhì)程度越大；氣泡尺寸空間分布對準(zhǔn)確模擬摻氣濃度分布有顯著影響。采用改進(jìn)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(jìn)強(qiáng)紊動(dòng)摻氣水流的數(shù)值模擬研究具有重要意義。 該項(xiàng)目的研究對有效保護(hù)水生態(tài)環(huán)境和全面評價(jià)泄水建筑物對水環(huán)境的影響提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，并具有重要的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用前景。 2100433B

泄水建筑物下游水體的強(qiáng)紊動(dòng)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。如何對泄水建筑物下游水體溶解氣體濃度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，是生態(tài)環(huán)境水利學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。人們雖然已經(jīng)認(rèn)識(shí)到氣泡界面?zhèn)髻|(zhì)對溶解氣體濃度的貢獻(xiàn)，但對其氣泡運(yùn)動(dòng)行為研究不夠深入，仍然無法準(zhǔn)確地預(yù)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(chǔ)上，采用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場觀測以及數(shù)值模擬等方法，綜合考慮氣泡聚并和破碎的不同機(jī)制，精細(xì)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(yù)測流場和PBM計(jì)算氣泡大小分布的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，確定泄水建筑物下游水體的氣液相間傳質(zhì)；探尋高效而穩(wěn)定的數(shù)值方法，預(yù)測不同水力條件下溶解氣體濃度增加的程度，深入揭示強(qiáng)紊動(dòng)水體氣液傳質(zhì)的機(jī)理和規(guī)律。本項(xiàng)目的實(shí)施為有效地保護(hù)水生態(tài)環(huán)境和全面評價(jià)泄水建筑物對水環(huán)境的影響提供有力的技術(shù)支持，并具有重要的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

氣液傳質(zhì)設(shè)備gas-liquid mass transfer equipmeru又稱氣液接觸設(shè)備(gas-licruid c}ntaci equipment )用以進(jìn)行氣液傳質(zhì)過程的設(shè)備_氣液傳質(zhì)過程是在氣(或汽)相和液相兩相間進(jìn)行的質(zhì)量傳遞過程?；籌，中最常用的氣液傳質(zhì)過程是精餾和吸收此外還有洗滌、蒸發(fā)、增濕、減濕等。氣液傳質(zhì)設(shè)備主要有板式塔和填料塔，這是在精餾和吸收中最廣泛應(yīng)用的設(shè)備，其他還有噴灑塔、臥式塔、鼓泡塔、濕壁塔等。在氣液傳質(zhì)設(shè)備中除進(jìn)行傳質(zhì)外。有時(shí)還伴以傳熱，在一此場合還發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

中空纖維膜吸收技術(shù)是脫除CO2等溫室氣體較有前途的方法之一。前期研究發(fā)現(xiàn)，在中空纖維膜吸收技術(shù)的模型化研究中，忽視膜結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳質(zhì)的影響，是造成模型偏差大的關(guān)鍵因素之一。本項(xiàng)目將通過實(shí)驗(yàn)和理論研究，對近膜壁面處的溶質(zhì)濃度分布進(jìn)行模擬分析，建立包含體系物性、化學(xué)反應(yīng)特性、流動(dòng)狀況以及膜結(jié)構(gòu)參數(shù)的膜吸收過程的傳質(zhì)模型，并在此基礎(chǔ)上探討該過程的傳質(zhì)機(jī)理。. 模型化研究中，用Gz數(shù)來表征膜吸收過程的兩相流動(dòng)特性與溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系，用Ha數(shù)或化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)因子E來表征體系的反應(yīng)特性與傳遞性質(zhì)的關(guān)系，用膜的孔間距與膜孔徑的比值來表征膜結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，關(guān)聯(lián)膜吸收過程的傳質(zhì)模型，與實(shí)驗(yàn)值和文獻(xiàn)值進(jìn)行比較，建立一個(gè)適用范圍廣、預(yù)測準(zhǔn)確性好的傳質(zhì)模型。并基于此探討膜吸收過程中的傳質(zhì)強(qiáng)化手段，采用加入第三相的方式強(qiáng)化傳質(zhì)過程，系統(tǒng)深入研究各因素對強(qiáng)化過程的影響，以期推動(dòng)該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。

蒸發(fā)-凝聚傳質(zhì)機(jī)理是指在高溫下蒸汽壓較大系統(tǒng)內(nèi)，材料進(jìn)行燒結(jié)時(shí)的傳質(zhì)規(guī)律。