坝下河道过饱和气体加速释放研究的实验装置

摘要

本发明公开一种坝下河道过饱和气体加速释放研究的实验装置，包括依次连接的循环水池、变频水泵、高压釜、可变坡的恒温水槽和沉砂池，所述沉砂池的出水口与所述循环水池进水口连接形成水循环；所述高压釜还与向所述高压釜输入氧气的供气箱连接；所述高压釜上设置有调节气阀、安全气阀、气压表以及总溶解气体测定仪；所述恒温水槽的两侧壁顶部设置有输沙箱；所述恒温水槽中还设置有紊动加速装置、节点模型、前端总溶解气体测定仪、后端总溶解气体测定仪、前端ADV三维流速测量仪和后端ADV三维流速测量仪。本发明装置结构简单，使用方便，能满足水体紊动、泥沙和不同河道节点边界、水温等各因素对坝下河道中过饱和气体释放的机理研究。

说明书

技术领域

本发明属于水利水电工程流域，涉及一种坝下河道溶解气体过饱和的实验 装置，具体的说是一种坝下河道过饱和气体加速释放研究的实验装置。

背景技术

随着高坝的大量修建，以此带来的环境问题愈益受到关注。高坝泄水过程 中，由于泄水水头高、流速大，使大量空气卷吸进入水流，从而形成强掺气水 流。当携带大量气泡的水流与坝下水体碰撞并进入深水区时，受紊动作用和水 压变化的影响，大量气体释放并溶解于水体，使得水体饱和度增加从而形成过 饱和水流。在天然河道中，过饱和气体较难从深水中析出，这样就导致了过饱 和气体将随水流输移至河道下游很长的一段距离。河道水体中含有过量的气 体，易引发鱼类气泡病，严重威胁它们的生存和繁殖。

影响天然河道水体过饱和气体释放的外界因素众多，主要有：（1）在复杂 河道上的天然节点（突缩或突扩的两岸地形）、河道底坡以及人工节点（水下潜 坝，两岸丁坝，建在水利工程枢纽下游的生态坝等）的影响下，河流水力特性将 发生不同程度的变化，影响水流紊动，进而会影响过饱和气体的释放析出；（2） 在气象因素影响下，水体理化特性发生一定程度的变化，尤其是水体水温在一 定程度上也会影响坝下河道中过饱和气体的释放速率；（3）天然河流一般夹杂 着泥沙颗粒，泥沙颗粒可以在水体中可以作为气体依附的介质，可以使得过饱 和气体加速析出聚成小气泡，随后小气泡随水流流动并且上浮至水面进入大 气。

目前关于复杂因素对坝下河道中过饱和气体释放的影响机理研究和观测手 段都相对匮乏。现有技术常采用原型观测、物理模型实验以及室内装置实验等 方法，但由于影响天然河流过饱和气体释放的因素众多，这些研究手段均在不 同程度上存在困难和局限性，具体表现在：

（1）原型观测。该方法成本较高，观测极为不便，观测者需到坝体下游河 道现场进行数据采集；因过饱和气体会随水流输移至河道下游很长距离，且坝 体下泄水体的流量、流速、掺气量、下游水深等诸多物理因素存在不可重复性 或不可控制性。

（2）物理模型实验。物理模型实验受场地条件的限制，难以实现开展大比 尺模型实验工作；而小比尺物理模型实验又可能会忽略河道两岸边界条件对过 饱和气体释放的影响，同时不能较好的解决因相似率问题带来的掺气量少等问 题。

（3）室内装置实验模拟。现有技术的思路主要是针对流动性（水槽实验） 或非流动性（搅拌实验）的水体，测量水流紊动、泥沙等与气体释放的关系；以 上手段不能体现复杂河道形态及水利工程对过饱和气体释放的影响，也不能模 拟水沙动态分布对过饱和气体释放的影响过程，因而很难根据该传统技术进行 针对气体过饱和加速释放措施的深入开发。

因此，需要设计一种新型实验装置来弥补已有技术不足，能够准确测量水 体紊动、泥沙、河道节点边界、水温等因素对坝下河道中过饱和气体释放的影 响，为设计过饱和气体加速释放措施提供技术支撑。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种坝下河道过 饱和气体加速释放研究的实验装置，满足不同紊动强度、不同泥沙组分、不同 河道节点边界、不同温度条件下测量研究各因素与过饱和气体释放间的关系， 且可以实现水体的循环利用，节约人力和财力，提高整体实验效率。

技术方案：本发明所述的坝下河道过饱和气体加速释放研究的实验装置， 包括依次连接的循环水池、变频水泵、高压釜、可变坡的恒温水槽和沉砂池， 所述沉砂池的出水口与所述循环水池进水口连接形成水循环；所述循环水池和 可变坡度的恒温水槽的顶端均为敞口，与大气相连。

所述高压釜还与向所述高压釜输入氧气的供气箱连接；所述高压釜上设置 有调节气阀、安全气阀、气压表以及总溶解气体测定仪；

所述恒温水槽的两侧壁顶部设置有输沙箱；所述恒温水槽中还设置有紊动 加速装置、节点模型、前端总溶解气体测定仪、后端总溶解气体测定仪、前端 ADV三维流速测量仪和后端ADV三维流速测量仪，所述紊动加速装置悬设在所 述恒温水槽中，所述节点模型固定在所述恒温水槽的底部；所述前端总溶解气 体测定仪和所述前端ADV三维流速测量仪设置在所述恒温水槽内的进水口处； 所述后端总溶解气体测定仪和所述后端ADV三维流速测量仪设置在所述恒温水 槽内的出水口处；所述恒温水槽的底部中央设置有温度控制仪。

优选地，所述恒温水槽的两侧壁顶部为弧形轨道，所述输沙箱沿所述弧形 轨道滑动。

优选地，所述输沙箱由金属材料制成，它的上部为长方体，下部为梯形 台；输沙箱可自由在弧形轨道滑动。所述输沙箱底部设有拦沙板，拦沙板的外 拉板上标有刻度，可以调节控制漏沙口的开度；所述输沙箱上设置有电子称重 器和重量传感器，可测定输沙箱内泥沙的重量。

所述恒温水槽的底部紧贴两侧壁处分别设置有一排带卡塞的卡槽，卡塞用 于防止水流进卡槽中，使用卡槽时拔掉卡塞；所述恒温水槽的两侧壁上对应于 所述卡槽的正上方分别设置一排卡套，卡套位于卡槽的正上方距两侧壁顶部1/4 水槽高度处。

所述紊动加速装置包括杆身设有若干固定孔的多孔套杆、水平杆、竖直 杆、旋转球、紊动加速浆以及遥控表；所述多孔套杆的一端卡在所述卡槽中， 另一端固定在卡槽上方对应的卡套中；所述水平杆两端分别水平插入在所述恒 温水槽内两侧的多孔套杆的固定孔中；所述竖直杆的上端通过所述旋转球与所 述水平杆连接，所述竖直杆的下端与所述紊动加速浆固定连接；所述遥控表与 所述旋转球经电线连接控制所述旋转球转动；紊动加速装置可随多孔套杆固定 在卡套及其正下方卡槽位置的变化而任意移动。

所述节点模型上设置有与所述卡槽对应的孔，通过螺杆穿过孔将所述节点 模型固定在任意对应的卡槽中。每个孔的位置满足可与任意一个卡槽贯通，且 相邻2个孔的间距等于相邻2个卡槽的间距，孔的径深高度等于模型的高度。模 型通过螺杆卡在卡槽内，螺杆高度等于卡槽的径深高度与模型的高度之和，螺 杆直径为孔的内径。

为了适应不同的需要，所述节点模型可以包括任意形状，优选为跌坎模 型、突缩模型、突扩模型、先缩后扩模型或一端开口的跌坎模型。其中，突缩 模型、突扩模型、先缩后扩模型均为组合模型。在实验过程中，可以自行选择 某一种节点模型模拟某种河道节点边界，也可以使用任何组合模型中的一个， 其均可以模拟河道一岸出现节点的情况。同时，多个模型间还可以组合模拟更 多的河道边界，如突缩模型与突扩模型组合，先缩后扩模型与突缩模型组合 等。

所述固定孔均匀分布在所述多孔套杆上，且所述固定孔中设置有可压缩弹 簧，所述可压缩弹簧的一端与多孔套杆壁连接，另一端与将上述固定孔封闭的 孔盖连接。可压缩弹簧满足在水槽装满水且水平杆未插入固定孔时孔盖可将固 定孔密封，防止水流进固定孔内。

进一步地，紊动加速浆是由四个空心叶片构成的十字形旋转浆。叶片外壳 为四面体，前后两侧面分别为流线形曲面和矩形平面，上下两侧面均为一条直 线和一条流线形曲线围成的闭合水平面，而流线形曲线符合库尔凡和普索拉提 所提出的翼形函数。同时，四个空心叶片在同一旋转方向上看时，流线形曲面 和矩形平面的前后相对位置是一致的。

所述变频水泵与所述高压釜之间还依次连接有第一阀闸和第一流量计；所 述高压釜与所述恒温水槽之间还依次连接有第二阀闸和第二流量计；所述恒温 水槽与所述沉砂池之间还依次连接有第三阀闸和第三流量计。所述沉沙池与所 述循环水池间连接有第四阀闸。

优选地，所述卡槽为圆形螺纹卡槽；所述卡套为圆形卡套；所述节点模型 上的孔为圆形螺纹孔，孔的内径与卡槽相同。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

（1）本发明装置采用循环水并可对水温、水体压力、掺气量、流量等影响 总溶解气体过饱和生成的主要物理参数进行控制，进而获得更多的含过饱和气 体水流的实验工况，装置结构简单，恒温水槽里的紊动加速装置和节点模型可 以根据需要自行装卸，使用方便，能满足水体紊动、泥沙和不同河道节点边 界、水温等各因素对坝下河道中过饱和气体释放的机理研究，且可实现水流自 循环，节约人力和财力，提高整体利用效率。

（2）本发明中的恒温水槽是可变坡度的水槽，可以随意改变水槽的底坡， 进而可模拟各种坡度的河床地形。在可变坡度的恒温水槽中底部紧贴两侧壁各 设有一排带卡塞的圆形螺纹卡槽用于卡住不同的节点模型，进而可模拟多种河 道边界，获得河道边界条件的突然变化与过饱和气体释放间的关系。

（3）本发明中紊动加速装置可随多孔套杆固定在圆形卡套及其正下方圆形 螺纹卡槽位置的变化而任意移动，即可在实验水槽的不同断面位置使用紊动加 速装置来对改变水体的紊动强度。本发明使用的每个紊动加速浆均可通过外接 的摇控表来控制其旋转频次。同时，用于固定紊动加速装置的多孔套杆上有多 个孔，使得紊动加速浆可在不同的水深位置对水体的紊动强度进行控制。这样 就实现了水槽中不同断面和不同水深上的水体紊动强度改变对过饱和气体释放 的影响。

（4）本发明中的输沙箱可在恒温水槽两侧壁顶部的弧形轨道自由滑动，同 时，输沙箱底部的拦沙板的外拉板上标有刻度可以调节漏沙口的开度，且设有 电子称重显示屏和重量传感器可测定输沙箱乘载泥沙的重量，这样就实现了水 槽中不同断面上输入不同组分的泥沙颗粒对过饱和气体释放的影响。

附图说明

图1是本发明实施例1中实验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1中输沙箱与恒温水槽两侧壁顶部的弧形轨道连接的侧 视图；

图3是本发明实施例1中固定在圆形螺纹卡槽上的不同类型节点模型的俯视 图；

图4是本发明实施例1中紊动加速装置各部件结构及其与多孔套杆连接的侧 视图；

图5是本发明实施例1中紊动加速浆的结构及其与竖直杆和旋转球的连接示 意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述 实施例。

实施例1

坝下河道过饱和气体加速释放研究的实验装置，其结构示意图如图1，循环 水池1连接变频水泵2，第一阀闸3，第一流量计4后向高压釜6输入水体；供气箱 5可控制自带阀门向高压釜6输入一定量的氧。高压釜6上设有调节气阀7、安全 气阀10、气压表8以及总溶解气体测定仪9。其中，调节气阀7和气压表8可用于 调节和读取高压釜6内水体压力；总溶解气体测定仪9用于测定高压釜6内水体的 饱和度。含一定饱和气体的水体经第二阀闸11、第二流量计12流入可变坡度的 恒温水槽13。

在可变坡度的恒温水槽13底部中央设有温度控制仪34用于控制水槽13中的 水温，而恒温水槽13两侧壁顶部经弧形轨道16连接有输沙箱17。输沙箱17的上 端为长方体，下端为梯形台，其底部的拦沙板的外拉板上标有刻度可以调节控 制漏沙口的开度。在输沙箱17侧面和拦沙板底部分别设有电子称重显示屏18a和 重量传感器18b可测定输沙箱乘载泥沙的重量。输沙箱17与恒温水槽13两侧壁顶 部的弧形轨道16连接的侧视图见图2。

同时，恒温水槽13底部紧贴两侧壁各设有一排带卡塞的圆形螺纹卡槽14用 于卡住不同的节点模型23，即在需要使用圆形螺纹卡槽14时可将卡塞取下用于 卡住不同的节点模型23，而不需要使用圆形螺纹卡槽14时卡塞依旧卡在圆形螺 纹卡槽14内，防止水流进入。不同类型节点模型23可以包括：跌坎模型A、突 缩模型B1、B2、突扩模型C1、C2、先缩后扩模型D1、D2以及一端开口的跌 坎模型E等。不同的节点模型23均设有若干个螺纹圆孔23a。螺纹圆孔23a的内径 与水槽13底部的圆形螺纹卡槽14一样。每个螺纹圆孔23a的位置满足可与任意一 个圆形螺纹卡槽14贯通，且相邻2个螺纹圆孔23a的间距等于相邻2个圆形螺纹卡 槽14的间距，螺纹圆孔23a的径深高度等于模型23的高度。模型23通过螺杆23b 卡在圆形螺纹卡槽14内，螺杆高度23b等于圆形螺纹卡槽14的径深高度与模型23 的高度之和，螺杆23b直径为圆孔23a的内径。固定在圆形螺纹卡槽14上的不同 类型节点模型23的俯视图见图3。这里需说明的是：图3是汇总了本发明所述的 五种节点模型23固定在圆形螺纹卡槽14上时的俯视图，而在实验中则根据需要 自行选择一种或者多种节点模型23，并将其固定在在圆形螺纹卡槽14上。

位于圆形螺纹卡槽14的正上方距两侧壁顶部1/4水槽高度处各设一排圆形卡 套15，可卡住用于固定紊动加速装置21的多孔套杆19的一端，而另一端则卡在 圆形螺纹卡槽14内。所述紊动加速装置21可随多孔套杆19固定在圆形卡套15及 其正下方圆形螺纹卡槽14位置的变化而任意移动，其包括：多孔套杆19、紊动 加速浆35、水平杆29、竖直杆30、旋转球33以及遥控表22。紊动加速浆35固定 在竖直杆30的下端，竖直杆30的上端经旋转球33与水平杆29连接，旋转球33经 电线又与遥控表22连接，而水平杆29水平插入多孔套杆19上的固定孔20内。所 述固定孔20均匀分布在多孔套杆19上，且每个固定孔20内设计有可压缩弹簧 32。可压缩弹簧32的一端与多孔套杆19壁连接，另一端与孔盖31连接。每个固 定孔20的可压缩弹簧32满足在水槽13装满水且水平杆29尚未插入固定孔20时孔 盖31可将固定孔20密封，防止水流进固定孔20内。紊动加速装置21各部件结构 及其与多孔套杆19连接的侧视图见图4。所述紊动加速浆35是由四个空心叶片构 成的十字形紊动加速旋转浆。叶片外壳为四面体，前后两侧面分别为流线形曲 面和矩形平面，上下两侧面均为一条直线和一条流线形曲线围成的闭合水平 面，而流线形曲线符合库尔凡和普索拉提所提出的翼形函数。同时，四个空心 叶片在同一旋转方向上看时，流线形曲面和矩形平面的前后相对位置是一致 的。紊动加速浆35的结构图及其与竖直杆30和旋转球33的连接示意图见图5。

可变坡度的恒温水槽13内还外置有前端总溶解气体测定仪24a、前端ADV 三维流速测量仪25a和后端总溶解气体测定仪24b、后端ADV三维流速测量仪 25b。从可变坡度的恒温水槽13流出的水流（或含沙水流）经第三阀闸26、第三 流量计36、沉砂池27以及第四阀闸28又连接回循环水池1。

本发明坝下过饱和气体加速释放研究的实验装置所用仪器设备以及结构尺 寸:

1.循环水池1的长×宽×高=2m×1.5m×1.2m；

2.供气箱5的功率为120w；变频水泵2的功率为1500w；

3.高压釜6及其上设置的调节气阀7、安全气阀10和气压表8、第一流量计 4、第二流量计12、第三流量计36、总溶解气体测定仪924a24b、温度控制仪34 均选用授权号为CN101642071B的中国专利中所选的；

4.可变坡的恒温水槽13为玻璃水槽，其内部的长×宽×高=10m×0.6m×0.5m， 两侧壁厚度0.04m，底部厚度为0.06m；

5.前置和后置ADV三维流速测量仪均选用的型号为FlowTracker；

6.输沙箱17的上端长方体的长(水槽宽度)×宽×高=0.6m×0.3m×0.2m，下端梯 形台的底面漏沙口的长(水槽宽度)×宽=0.6m×0.1m，而梯形台的高度为0.2m。 输沙箱17由防锈金属材料制成。输沙箱17外拉板上的刻度精确到0.1cm，而电子 称重显示屏和重量传感器详见授权号为CN201518841U的中国专利。

7.圆形螺纹卡槽14的内径×径深=0.05m×0.06m，圆形卡套15的内径×径深 =0.05m×0.03m，其位于圆形螺纹卡槽14正上方且距水槽13顶部为0.125m处。圆 形螺纹卡槽14和圆形卡套15的数量均为100个，且相邻两个卡槽14或卡套15的间 距均为0.1m；

8.多孔套杆19的直径×高=0.05m×0.42m，多孔套杆19的数量为2根；多孔套 杆19上固定孔20的内径×径深=0.03m×0.04m，固定孔20的数量为9个，相邻两个 固定孔20的间距为0.04m；多孔套杆19由防锈金属材料制成；

9.紊动加速装置21中的紊动加速浆35的四个叶片矩形平面的宽×高 =0.04m×0.06m，紊动加速浆35数量为3个，3根竖直杆30的长度×内径 =0.04m×0.02m，水平杆29的长度×内径=0.52m×0.03m，遥控表22可以提供100、 200、300、400、600、800、1000、1200转数/分钟等8个转动频次。紊动加速浆 35、水平杆29、竖直杆30、旋转球33均由金属材料制成，且其表面均镀有绝缘 防水材料。

10.节点模型23及其尺寸为（注：水流方向假定为节点模型的宽度）：1）跌 坎模型A的长×宽×高=0.6m×0.5m×0.15m、2）突缩模型B1B2的长×宽×高 =0.1m×1m×0.3m、3）突扩模型C1C2和先缩后扩模型D1D2的高均为0.3m，其横 截面均为长×宽=0.1m×1m的三角形，形状一样，只是安装时方位转了180度、4） 一端开口的跌坎模型E的长×宽×高=0.48×0.5m×0.2m。其中，跌坎模型A和一端 开口的跌坎模型E上的螺纹圆孔个数为5，而突缩模型B1B2、突扩模型C1C2和 先缩后扩模型D1D2上的螺纹圆孔个数均为10。所有节点模型23均由ABS塑料 制成。

本发明装置适用于水体紊动、泥沙和不同河道节点边界、水温等单个因素 或多个外界因素对坝下河道中过饱和气体释放影响测量，工作原理是：通过紊 动加速装置21、输沙箱17和不同的节点模型23、温度控制仪34来实现不同影响 因素的条件。1）紊动加速装置21中的每个紊动加速浆35均可通过外接的摇控表 22来控制其旋转频次。紊动加速装置21可随多孔套杆19固定在圆形卡套15及其 正下方圆形螺纹卡槽14位置的变化而任意移动。同时，用于固定紊动加速装置 21的多孔套杆19上有多个固定孔20，使得紊动加速浆35可在不同的水深位置对 水体的紊动强度进行控制，实现了水槽13中不同断面和不同水深上的水体紊动 强度改变对过饱和气体释放的影响；2）输沙箱17底部的拦沙板的外拉板上标有 刻度可以调节漏沙口的开度，且输沙箱17侧面和拦沙板底部分别设有电子称重 显示屏18a和重量传感器18b可测定输沙箱乘载泥沙的重量，实现了水槽13中不 同断面上输入不同组分的泥沙颗粒对过饱和气体释放的影响；3）将圆形螺纹卡 槽14的卡塞取下用于卡住不同的节点模型23，进而可模拟多种河道地形或者河 道上修建的水利建筑物，实现对河道边界条件的突然变化对过饱和气体释放的 影响；4）利用温度控制仪34控制水槽13内水流的温度，实现了不同水温对过饱 和气体释放的影响。

本发明装置的工作过程如下：

1、按照图1所示，调节可变坡的恒温水槽13到某一坡度，并将其与外部各 个部件连接好。同时，将实现某种影响因素的部件安装与固定。如按照图4单独 将紊动加速浆35固定在水槽13的某一断面位置的某一高度；或如选取图3所示的 某一节点模型23（如跌坎模型A），并将其固定在水槽13的某一断面位置；再如 将输沙箱17滑动到水槽13的某一断面正上方；

2、在循环水池1中装满自来水并且充分曝气24h；

3、打开供气箱5，同时打开变频水泵2，分别向高压釜6输入氧气和水，水 的流量由第一阀闸3控制，掺气量由供气箱5上自带阀门控制，由高压釜6上调节 气阀7来减小或增大高压釜6内压强以得到所需饱和度值，由总溶解气体测定仪9 测定高压釜6内水体的饱和度；

4、为安全起见，通过调节气阀7控制高压釜6内压强不超过0.2Mpa；

5、开启第二阀闸11和第二流量计12，使得高压釜6充气加压后一定流量的 水体流入水槽13中，此时可见水槽13水体中有大量微小气泡，当高压釜6内压强 大于0.1Mpa时，水槽13水体中可见水雾化现象；

6、由温度控制仪34控制并恒定实验水温，并将设置在水槽13外面的前置总 溶解气体测定仪24a和后置总溶解气体测定仪24b放置在水槽13前后两端，以测 定水体溶解气体饱和度值；

7、待水槽13内水体蓄到实验水深后，开启第三阀闸26、第三流量计36和第 四阀闸28。同时，控制第三阀闸26的开度，保证第三流量计36上的读数与第二 流量计12一致，实现水槽13中的水体维持一定的水深；

8、开启遥控表22，选择紊动加速浆35的转动频次；或将选取的某一粒径和 重量的泥沙置于输沙箱17，外拉拦沙板到某一开度，向水槽13输沙；同时，利 用前置ADV三维流速测量仪25a和后置ADV三维流速测量仪25b分别测定紊动加 速装置35或输沙箱17前后水槽各断面的水流流态；或直接利用前置ADV三维流 速测量仪25a和后置ADV三维流速测量仪25b分别测定节点模型23附近各断面的 水流流态；并且观测记录前置总溶解气体测定仪24a和后置总溶解气体测定仪 24b的读数；

9、实验结束后，停止向高压釜6输入氧气和水，并关闭第一阀闸3、第二阀 闸11、第三阀闸26和第四阀闸28。而遗留在沉砂池27中的水（或水沙）可使用抽 水泵将其抽走。

如果需要研究多因素对过饱和气体释放的影响，则只需在上述过程步骤1中 将不同影响因素的部件分别安装与固定在水槽13相应位置，然后再根据上述过 程步骤2～9进行实验。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得 解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围 前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。