紊動促進(jìn)過飽和總?cè)芙鈿怏w釋放研究

姚元波，楊慧霞，王云云，劉彩紅，梁珈珈

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

1 概述

在自然環(huán)鏡中，高壩泄流[1- 3]、植物光合作用產(chǎn)氧過剩[4]和水體溫度劇增[5- 6]等方式均可能使水中總?cè)芙鈿怏w(Total Dissolved Gas，簡稱“TDG”)過飽和，這可能直接導(dǎo)致魚類和水中生物患有“氣泡病”(Gas Bubble Disease，簡稱“GBD”)甚至死亡[7- 11]。過飽和TDG的釋放屬于氣泡界面?zhèn)髻|(zhì)和水氣自由界面?zhèn)髻|(zhì)的過程，其釋放速率主要受到紊動強(qiáng)度、溫度、氣泡尺寸及其濃度等方式的影響[12- 15]。這些問題引起眾多的學(xué)者關(guān)注，提出了一些減緩措施。馮鏡潔等[16- 18]將阻水介質(zhì)(沙子)放入過飽和水體中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明阻水介質(zhì)促進(jìn)過飽和TDG釋放具有明顯的效果，以及獲得了過飽和TDG釋放系數(shù)與含沙量的關(guān)系。黃雅楠等[19]將吸附性物質(zhì)(活性炭)加入過飽和水體中，其對過飽和TDG的釋放促進(jìn)顯著，且表面積大的物質(zhì)效果更加明顯。為了降低過飽和TDG的生成，這些學(xué)者以實(shí)際壩體為例，以在溢洪道設(shè)置導(dǎo)流板、優(yōu)化泄水的方式和調(diào)節(jié)梯級水庫等方式[20- 23]，以及用虹吸管裝置和填料柱來降低養(yǎng)殖池中的過飽和TDG濃度[24- 25]。

曝氣方式對溶解氧(DO)和過飽和TDG的釋放具有明顯效果。黃膺翰等[26]和歐洋銘等[27]用針孔曝氣方式分別對溶解氧(DO)和過飽和TDG進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得2種氣體的釋放系數(shù)(釋放速率)與曝氣條件的關(guān)系。程香菊等[28]采用微孔曝氣的方式進(jìn)行曝氣增氧，發(fā)現(xiàn)了氧傳質(zhì)與微孔條件的關(guān)系，以及對三峽工程流域進(jìn)行過飽和氣體分析，總結(jié)出過飽和原因和因素[29- 31]。李爾等[32- 33]對微孔曝氣最優(yōu)氣泡群的理論進(jìn)行總結(jié)，獲得了氧傳質(zhì)速率與氣泡尺寸和曝氣性能的規(guī)律性變化。Politano M.等對實(shí)際壩體流域(Wanapum Dam)進(jìn)行各向異性兩相流模型分析，獲得了該模型可預(yù)測出水的含量、氣體體積分?jǐn)?shù)、氣泡尺寸和TDG濃度[34]，模擬值與實(shí)際測量值相吻合。同時(shí)，氣液傳質(zhì)受到2個(壩體結(jié)構(gòu)設(shè)施和河流域)主要因素的影響，對實(shí)際的壩體流域進(jìn)行數(shù)值模擬[35- 36]，總結(jié)出了可在溢洪道處設(shè)置導(dǎo)流板來降低過飽和TDG濃度[37- 38]。

紊動因素會加速水中過飽和TDG和復(fù)氧的釋放。李然等[12- 13]在紊動誘發(fā)實(shí)驗(yàn)中，提出了紊動水體復(fù)氧模型和得到了紊動水體表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)與水流速和紊動動能的關(guān)系式。蔣亮等[39- 40]總結(jié)出過飽和濃度概念、影響因素，通過少量的攪拌實(shí)驗(yàn)獲得了釋放時(shí)間與轉(zhuǎn)動次數(shù)的關(guān)系圖。馮鏡潔等[41- 42]發(fā)現(xiàn)在攪拌實(shí)驗(yàn)的條件下，具有一定紊動強(qiáng)度含沙量的過飽和TDG的釋放速率比清水的要快，得出含沙量和紊動強(qiáng)度對過飽和TDG的釋放具有促進(jìn)作用。

綜上所述，緩解過飽和TDG的方法有降低其濃度的生成和加快其釋放速率，但缺乏單獨(dú)紊動因素與過飽和TDG釋放系數(shù)的關(guān)系。本文在紊動條件下，探索過飽和TDG釋放系數(shù)(釋放速率)與紊動因素的關(guān)系表達(dá)式。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及步驟

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：如圖1所示，過飽和TDG生成裝置參考了李然等[43]進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)。

圖1 實(shí)驗(yàn)草圖及裝置

實(shí)驗(yàn)裝置：攪拌器組合300～1200r/min；測量儀器TGP0～600%；水箱尺寸D=400mm,H=1500mm；空壓機(jī)最大排量90L/min；水溫20.1℃～20.3℃。

實(shí)驗(yàn)步驟:實(shí)驗(yàn)過程中，水泵抽水，空氣壓縮機(jī)輸入氣體，一起進(jìn)入高壓釜，形成過飽和水，將其放入圓柱形水箱中。當(dāng)水深達(dá)到預(yù)定深度時(shí)，調(diào)動攪拌器的轉(zhuǎn)速，TGP開始連續(xù)測量水中的過飽和TDG濃度，當(dāng)濃度達(dá)到100%左右時(shí)停止記錄。紊動實(shí)驗(yàn)條件見表1，共有12組實(shí)驗(yàn)。

表1 紊動實(shí)驗(yàn)條件

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及線性擬合

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

過飽和水體有0.4m(A)、0.5m(B)和0.6m(D)的水深和在轉(zhuǎn)速為300、600、900、1200r/min條件下的實(shí)驗(yàn)工況，a、b和c是攪拌4min內(nèi)TDG濃度變化，如圖2所示。過飽和TDG初始濃度約為140%，該濃度G0>100%，屬于過飽和狀態(tài)，經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到平衡狀態(tài)[44]。其中，在相同的水深中，隨著轉(zhuǎn)速和溫度的增大，過飽和TDG釋放所需要的時(shí)間逐漸減少；以及在相同的轉(zhuǎn)速下，隨著水深的增大，其釋放所需要的時(shí)間反而增大。但釋放時(shí)間在4min內(nèi)時(shí)，a、b和c的過飽和TDG濃度出現(xiàn)了先增加后減少的現(xiàn)象，以及隨著水深和轉(zhuǎn)速的增大，過飽和TDG濃度的峰值不斷地在增大，再逐漸地減少。原因分析認(rèn)為:①強(qiáng)烈的紊動會使圓形水箱中的過飽和TDG混合均勻，導(dǎo)致其在短時(shí)間內(nèi)有所增高，達(dá)到一定的峰值[45]；②過飽和TDG的釋放屬于水-氣泡界面?zhèn)髻|(zhì)過程，隨著水深的增大會由水中氣泡引起水體產(chǎn)生的單位湍流強(qiáng)度減弱，以及圓形水箱中的氣泡群密度不斷地增多，致使系統(tǒng)內(nèi)的氣液傳質(zhì)面積增量減弱，從而減弱了過飽和TDG在水-氣泡界面上的傳質(zhì)作用[46- 48]；③隨著轉(zhuǎn)速的增大不僅能增強(qiáng)水體的湍流強(qiáng)度，而且致使攪拌葉片切割氣泡的速率加快，從而加強(qiáng)了過飽和TDG在水-氣泡界面的傳質(zhì)作用，有利于過飽和TDG釋放[49- 50]；④溫度的增長利于溶解性氣體的揮發(fā)，促進(jìn)氣態(tài)膜的傳質(zhì)過程和提高膜的脫氣性能[15,51]。

圖2 實(shí)驗(yàn)工況

3.2 過飽和TDG釋放系數(shù)線性擬合

為進(jìn)一步分析紊動對過飽和TDG釋放的作用效果，引入一階動力學(xué)方程，過飽和TDG飽和度隨時(shí)間的變化關(guān)系為[52]式(1)，其擬合如圖3所示，其結(jié)果見表2。

(1)

式中，G—TDG飽和度，%；Geq—TDG的平衡飽和度(通常為100%)；KTDG—釋放系數(shù)(釋放速率)，h-1;t—釋放時(shí)間，h。

表2所示，過飽和TDG釋放系數(shù)KTDG隨著轉(zhuǎn)速和的增大而增大，但其隨著水深的增加反而減少。KTDG的誤差值范圍3.48×10-5～0.02184，其相關(guān)系數(shù)均在0.988。因此，過飽和TDG釋放系數(shù)線性擬合出來的數(shù)值具有實(shí)際意義。同時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速從300r·min-1增至1200r·min-1時(shí)，KTDG的平均增量為49.60；當(dāng)水深從4m增至6m時(shí)，KTDG的平均減少量為1.1684；當(dāng)溫度從22.9℃增至28.6℃時(shí)，KTDG的平均增量為5.5122。因此表明，轉(zhuǎn)速和溫度對過飽和TDG釋放具有促進(jìn)作用，水深對其起到抑制作用，以及對過飽和TDG釋放系數(shù)的影響大小為KTDG，n>KTDG，T>KTDG，H。

圖3 實(shí)驗(yàn)工況線性擬合

表2 過飽和TDG釋放系數(shù)線性擬合

4 過飽和TDG釋放系數(shù)綜合影響分析

4.1 KTDG，n與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

根據(jù)曝氣對復(fù)氧傳質(zhì)影響的相關(guān)研究結(jié)果，復(fù)氧傳質(zhì)系數(shù)與曝氣之間的關(guān)系不呈線性增加[28]。由此將表2中水深和釋放系數(shù)的值帶入ORIGIN作圖(如圖4所示)，以及SPSS軟件中的多元非線性回歸分析，獲得兩者的關(guān)系表達(dá)式。

圖4 KTDG，n與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

(2)

式中，KTDG，n—過飽和TDG釋放系數(shù)，h-1；n—轉(zhuǎn)速，r/min。

4.2 KTDG，n與溫度的關(guān)系

將表2中的溫度和釋放系數(shù)的值帶入ORIGIN作圖(如圖5所示)，以及SPSS軟件中的多元非線性回歸分析，獲得兩者的關(guān)系表達(dá)式。

圖5 KTDG，n與溫度關(guān)系

KTDG，T=1.281(T/28.6)(11.384)

(3)

式中，KTDG，T—過飽和TDG釋放系數(shù)，h-1；T—溫度，℃。

4.3 KTDG，H與水深的關(guān)系

將表2中的水深和釋放系數(shù)的值帶入ORIGIN作圖(如圖6所示)，以及SPSS軟件中的多元非線性回歸分析，獲得兩者的關(guān)系表達(dá)式。

圖6 與水深的關(guān)系

(4)

式中，KTDG，H—過飽和TDG釋放系數(shù)，h-1；H—水深，m。

4.4 KTDG，H與轉(zhuǎn)速、溫度和水深的關(guān)系

在紊動實(shí)驗(yàn)過程中，過飽和TDG釋放系數(shù)主要受到轉(zhuǎn)速、溫度和水深的影響，借鑒前者的釋放系數(shù)綜合影響分析[26- 27]，故其關(guān)系表達(dá)式為：

(5)

式中，KTDG—過飽和TDG釋放系數(shù)，h-1；n—轉(zhuǎn)速，r/min；T—溫度，℃；H—水深，m；n0、T0、H0—初始值；α，β1，β2，β3—參數(shù)值。

將表2中的值帶入SPSS軟件中的多元非線性回歸分析，獲得初始值n0=1200r·min-1，T0=28.6℃，H0=0.4m和參數(shù)α=1.720，β1=2.053，β2=-1.105，β3=2.712。

則式(5)進(jìn)一步地表示為：

(6)

4.5 過飽和TDG釋放系數(shù)實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值的誤差

借鑒前者[53]使用均方根方差(7)和絕對平均誤差(8)進(jìn)行誤差分析。

(7)

(8)

則式(2)、(3)、(4)和(5)的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值表示如圖7所示。從圖中可知，其誤差范圍平均在10%以內(nèi)。由此表明過飽和TDG釋放系數(shù)與轉(zhuǎn)速、溫度和水深的定量關(guān)系是能反映紊動對過飽和TDG釋放作用效應(yīng)，在實(shí)際環(huán)境應(yīng)用工程中具有較強(qiáng)的適用性。

圖7 誤差

5 未飽和TDG轉(zhuǎn)為飽和TDG

將0.4、0.5、0.6m的未飽和水分別在轉(zhuǎn)速為300、600、900、1200r/min下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖8所示。

圖8 未飽和TDG轉(zhuǎn)飽和TDG

圖8顯示在不同水深和轉(zhuǎn)速下，當(dāng)時(shí)間在4min內(nèi)時(shí)，未飽和TDG逐漸上升至飽和狀態(tài)，停止轉(zhuǎn)動后，濃度值逐漸下降，從而看出此過程未受到轉(zhuǎn)速、溫度和水深的較大影響。原因?yàn)椋涸谖蓜訔l件下，圓形水箱中過飽和水體產(chǎn)生紊動使水體表面出現(xiàn)一定大小的漩渦，引起水面變形，產(chǎn)生許多的氣泡群，以及攪拌葉片將直徑較大的氣泡切碎成小氣泡。同時(shí)，在旋轉(zhuǎn)過程中，攪拌葉片將空中的氣體卷入水體中[29,54]。由此，在紊動的實(shí)驗(yàn)中，存在空中的氣體被卷吸入到水體中，但所引起的作用效果較弱。

6 結(jié)論

通過在不同紊動的條件下開展實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明紊動能促進(jìn)過飽和TDG的釋放，以及隨著轉(zhuǎn)速和溫度的增大，過飽和TDG釋放所需時(shí)間反而減小，但隨著水深的增大，其釋放所需時(shí)間也隨著增大，并獲得了過飽和TDG釋放系數(shù)(釋放速率)分別與轉(zhuǎn)速、溫度和水深的關(guān)系表達(dá)式，其誤差均在10%以內(nèi)，對實(shí)際環(huán)境應(yīng)用工程中具有較強(qiáng)的適用性。同時(shí)，在紊動的實(shí)驗(yàn)過程中，伴有空氣中的氣體被卷入水體中，致使未飽和TDG轉(zhuǎn)為飽和TDG。

該研究為探索減緩過飽和TDG不利影響提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)借鑒，驗(yàn)證了紊動是減緩過飽和TDG的方法。但攪拌葉片的面積大小、粗糙程度和轉(zhuǎn)動模式等條件對過飽和TDG影響有待進(jìn)一步研究。