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分层水环境人工诱导内波的强化混合效果

中国环境科学 2017年第8期37卷 3019-3027页

作者：孙昕张垚臻陈笑涵任广林西安建筑科技大学环境与市政工程学院陕西西安710055

针对目前国内外缺乏对内波和水流上涌对水体混合的相对强弱关系研究的现状,采用近似计算的方法,提出了一种区分内波和水流上涌对水体混合所做贡献的新方法,定量计算了内波和水流上涌对水体混合的贡献率.在温度梯度、跃温层厚度、曝气器... 详细信息

针对目前国内外缺乏对内波和水流上涌对水体混合的相对强弱关系研究的现状,采用近似计算的方法,提出了一种区分内波和水流上涌对水体混合所做贡献的新方法,定量计算了内波和水流上涌对水体混合的贡献率.在温度梯度、跃温层厚度、曝气器出水口位置均相同的条件下,当曝气强度从62.5L/(h·m^3)增加到125L/(h·m^3)时,内波对水体混合的贡献从82%降到了50%;在温度梯度、曝气强度、曝气器出水口位置均相同的条件下,随着跃温层厚度的增加,内波对水体混合的贡献从78.5%增加到83.5%.无消波装置的水体混合的有效功率比有消波装置的水体混合有效功率增加了40%以上,影响内波混合最根本的原因是所形成内波的A/T.实验证明内波只需要很少的能量就具有强大的混合作用,而曝气产生的循环水流的混合作用却截然相反,即内波混合具有较高的能量利用率,利用内波破坏水库水体分层和改善水源水质具有广阔的应用前景.

关键词：内波曝气分层水环境能量

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分层水环境人工诱导内波的强化混合效果

分层水环境人工诱导内波的强化混合效果

作者：张垚臻西安建筑科技大学

学位级别：硕士

针对目前国内外缺乏对内波和水流上涌对水体混合的相对强弱关系研究的现状,采用近似计算的方法,提出了一种区分内波和水流上涌对水体混合所做贡献的新方法,定量计算了内波和水流上涌对水体混合的贡献率,并在实验室条件下利用高锰酸钾溶... 详细信息

针对目前国内外缺乏对内波和水流上涌对水体混合的相对强弱关系研究的现状,采用近似计算的方法,提出了一种区分内波和水流上涌对水体混合所做贡献的新方法,定量计算了内波和水流上涌对水体混合的贡献率,并在实验室条件下利用高锰酸钾溶液作为示踪剂观测到了曝气诱导的内波的波形及传播规律。在水深1m、温度梯度0.235~0.4℃/cm、曝气强度62.5~125 L/（h·m3）范围内,距离曝气器水平距离10cm处受水流上涌影响无法形成稳定内波,距离曝气器水平距离50cm处受恒定曝气源的扰动可以形成稳定的内波。内波水平向传播时,振幅减小,波能减小。已形成内波与新产生的内波不断叠加,稳定内波的形成是能量在传播方向上叠加的结果。曝气诱导内波振幅范围为2~5cm,周期范围为40~70s,波速范围为0.01~0.02m/s,内波在传播过程中波形类似于简谐波,符合机械波的传播特性。在温度梯度、跃温层厚度、曝气器出水口位置均相同的条件下,当曝气强度从62.5 L/（h·m3）增加到125 L/（h·m3）时,内波对水体混合的贡献从82%降到了50%;在温度梯度、曝气强度、曝气器出水口位置均相同的条件下,随着跃温层厚度的增加,内波对水体混合的贡献从78.5%增加到83.5%。无消波装置的水体混合的有效功率比有消波装置的水体混合有效功率增加了40%以上,当初始温度梯度分别为0.235℃/cm、0.28℃/cm和0.4℃/cm时,温度梯度对内波的A/T、能流密度和波能等特性参数影响均较小,内波对水体混合的贡献率随着温度梯度的变化几乎不变,水体混合的有效功率随着温度梯度的增加而逐渐增加。实验结果表明,影响内波混合最根本的原因是所形成内波的A/T,内波只需要很少的能量就具有强大的混合作用,而曝气产生的水流的循环扰动所需能量大但混合作用相对较小,即内波混合具有较高的能量利用率。利用内波破坏水库水体分层和改善水源水质具有广阔的应用前景。

关键词：内波曝气分层水环境示踪剂能量

水下滑坡运动诱导形成的内波特性及破坏分层特征

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人民黄河 2024年第4期46卷 105-110页

作者：刘宗翰姚烨练继建陈亮颜东谊天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300350 天津大学建筑工程学院天津300350 天津理工大学海洋能源与智能建设研究院天津300384

为改善湖库因季节性水温分层而导致的水质恶化现象,通过水下滑坡体扰动的方式人工诱导产生内波,探究了水下滑坡运动诱导形成的内波特性及其对水体温度分层结构的破坏特征,结果表明:水下滑坡破坏水体温度分层结构主要通过扰动引起上下层... 详细信息

为改善湖库因季节性水温分层而导致的水质恶化现象,通过水下滑坡体扰动的方式人工诱导产生内波,探究了水下滑坡运动诱导形成的内波特性及其对水体温度分层结构的破坏特征,结果表明:水下滑坡破坏水体温度分层结构主要通过扰动引起上下层水体交换实现,在此过程中内波作用效果持久且较为平缓;滑坡倾角和滑坡体运动速度对分层水体破坏效果有重要影响;滑坡倾角为45°工况相较60°工况诱导的内波规模更大。

关键词：水体温度分层分层水环境水下滑坡内波特性分层破坏特征

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曝气条件对等温层曝气器水力性能的影响

中国环境科学 2015年第9期35卷 2698-2705页

作者：孙昕段飞飞刘凌炜解岳西安建筑科技大学环境与市政工程学院陕西西安710055

等温层曝气器内表观水流速度直接影响等温层曝气的充氧效果,针对表观水流速度难以准确计算的普遍问题,系统分析了曝气室内气水两相流运动所受的驱动能量与损失能量,提出了尾涡和顶部能量损失的无量纲表达式,建立了曝气室内水流的一维水... 详细信息

等温层曝气器内表观水流速度直接影响等温层曝气的充氧效果,针对表观水流速度难以准确计算的普遍问题,系统分析了曝气室内气水两相流运动所受的驱动能量与损失能量,提出了尾涡和顶部能量损失的无量纲表达式,建立了曝气室内水流的一维水动力学模型,以及基于MATLAB真域算法的模型求解方法.采用美国Prince湖等温层曝气器的实际运行数据,对该模型进行了验证,表观水流速度的预测误差在±8%以内,明显低于现有预测误差±20%.当曝气孔直径为2.6mm、曝气量从0.018m3/h增加到0.063m3/h时,曝气室内表观水流速度随曝气量的增加而增加;当曝气量固定,曝气孔直径从2.6mm减小至0.26mm时,表观水流速度随曝气孔直径的减小而增加,而当曝气孔直径进一步减小至0.026mm时,表观水流速度基本不受影响.计算了不同条件下的驱动能量和各项损失能量,揭示了引起表观水流速度变化的内因.建立的水动力学模型可用于指导等温层曝气器的设计和优化.

关键词：分层水环境等温层曝气表观水流速度模型曝气量气泡直径

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间歇水流诱导形成内波及其破坏分层特性

间歇水流诱导形成内波及其破坏分层特性

作者：陈笑涵西安建筑科技大学

学位级别：硕士

针对目前国内外缺乏经济高效的破坏大水深水体分层技术,开发研究机械混合装置诱导内波破坏水体分层,使用UVP多普勒超声波流速仪对流场进行测定;为在模型水体与实际水体的之间建立联系,研究分层结构差异对内波及其破坏分层特性的影响。... 详细信息

针对目前国内外缺乏经济高效的破坏大水深水体分层技术,开发研究机械混合装置诱导内波破坏水体分层,使用UVP多普勒超声波流速仪对流场进行测定;为在模型水体与实际水体的之间建立联系,研究分层结构差异对内波及其破坏分层特性的影响。机械混合装置出流会在模型水库中产生环流,当水体不分层时,水体中流场分布主要受环流影响;当水体分层时,受约化重力的影响,部分水平出流能量转化为内波波能,环流减弱。机械混合装置连续运行和间歇运行时,流场相近,间歇运行时流速减小,且不同时刻流速值存在差别。进出水口处的流速明显大于其他位置对应值,装置水平出流诱导产生内波形成体积效应内波破坏水体分层。在内波生成期,水体质点竖直流速增大,内波振幅逐渐增大;稳定传播期,内波各波峰振幅大小基本相同,波形也基本相同,达到稳定。在距池底50cm处,流体质点竖直方向上流速最大,内波振幅最大。在破坏水体分层过程中,变温层与等温层的水温差别逐渐减小,跃温层逐渐上移且厚度减小,内波最大振幅的位置随跃温层上移而上移,跃温层上下界面温差减小速度逐渐减小,直至水体分层被完全破坏。在温度梯度、扰动强度、水深均相同的条件下,随着跃温层厚度的增加,水体稳定系数增大,临界层上内波波能损失减小,内波的最大振幅增加,内波能流密度增大,破坏水库水温分层的能量转化效率提高;同时因水平出流转化为质点上下振动的波能增加,内波传播方向上推动力减小,波速减小。当跃温层厚度一定时,随着温度梯度的增加,水平运动流体传递给内波的能量增加,波能增大从而振幅增大,内波混合效率提高。机械混合装置循环出流在跃温层诱导内波,具有能量损失小,影响范围大的优点。利用内波破坏分层的方法在跃温层厚度大、温度分层严重的湖泊水库中将会有更高的效率。

关键词：内波分层水环境流场分布跃温层厚度混合