2.1　气体在水体中的溶解实验

2.1.1　气泡溶解实验

实验装置如图2-1所示，装置主体为高200cm、直径40cm的有机玻璃圆筒。圆筒内实验水深为138cm。由空气压缩机产生的压缩空气通过安装在水容器底板上的针孔进入水体，针孔直径为1mm，气体流量通过安装在进气管上的阀门调节。

实验中TDG探头置于水面下1.2m。实验开始前首先对水体加热，使水体中部分溶解气体析出，然后将水体迅速冷却到常温，此时水体中TDG为不饱和状态，即饱和度低于100%。

实验共进行两个工况。工况1为气体通过单个针孔掺入水体，其气体流量为0.2L/h；工况2为气体通过3个针孔掺入水体，气体总流量0.61L/h。两种工况下水体中TDG饱和度变化过程见表2-1。

图2-1　气泡溶解实验装置示意图

表2-1　气泡溶解实验TDG饱和度变化过程

从实验结果可以看出，在单孔掺气（工况1）即掺气强度很小的情况下，气泡和水体接触面积极小，水体紊动极弱，气体难以快速溶解，水体中TDG趋近于饱和态的速度非常缓慢。当多孔掺气（工况2）时，气泡之间相互碰撞，水气接触面积增大，水体紊动明显，气体溶解速度加快，因而水体中TDG在较短的时间内达到饱和状态。通过实验可以看出气体溶解速率与水气接触面积和水体紊动强度密切相关。

2.1.2　气泡尺寸影响实验

为进一步验证气泡尺寸在过饱和TDG生成中的作用，改进设计了气泡尺寸发生装置，如图2-2所示。实验装置主要包括一个高200cm，直径40cm的圆柱形有机玻璃外筒，一个固定在外筒内部的高50cm，直径20cm的圆柱形内筒及两层孔径150μm的金属筛网。下层筛网固定在内筒上表面，上层筛网安装在一可水平旋转的转轴上。两层筛网贴近，但不发生相互摩擦。内筒底部开孔，与空压机相通。内外筒之间盛水，水深1.8m。探头位置在水面下1.1m处。

图2-2　气泡影响实验装置示意图

实验中，空压机工作压强为3个大气压。空压机产生的气体通过安装在内筒上的下层筛网后，形成气泡，向外溢出，遇到上层筛网的高速旋转剪切，变为极小的气泡向水中扩散。为比较气泡剪切效果，在未安装上层旋转筛网情况下进行实验，对比水体中TDG饱和度变化过程，如图2-3所示。

图2-3　气泡尺寸影响实验TDG饱和度变化过程图

两组实验结果比较表明，没有上层旋转筛网切割气泡时，水体中气泡直径较大，紊动较弱，TDG过饱和上升速率较有上层筛网切割时缓慢。由此说明，气泡尺寸愈小，水气接触面积愈大，水体中TDG过饱和的生成速率愈快。

2.1.3　TDG析出实验

实验装置如图2-4所示。实验通过水泵形成循环水流，水流在容器水面上部50cm处形成自由射流。在射流形成前的水管某一位置上，安装一个三通装置，与大气连通，使高速水流在通过三通装置时挟气。为维持实验水容器内恒定水位，在水深108cm高度设置一溢流口，多余水流自溢流口进入旁侧容器，然后通过水泵形成循环水流。实验中射流速度约70m/s。

图2-4　TDG析出实验装置示意图

实验中TDG饱和度变化过程如图2-5所示。

实验发现水体中TDG饱和度不断下降，且三通装置连接处的胶管出现内缩，表明其局部区域压强小于大气压（负压大小因实验条件限制没有量测）。分析认为，压强减小导致循环水体中的溶解气体被析出，从而使水体中TDG饱和度不断下降。实验说明压强是影响水体中TDG饱和度的重要因素。

图2-5　TDG析出实验中饱和度变化过程图

本实验为降低大坝泄水时TDG过饱和度提供了一条思路，即通过降低水体压强的方法降低TDG饱和度。