高志遠，刁彥斌

（1.中國電力工程有限公司，北京100048；2.長春華普大通工業(yè)控制設備有限公司，吉林長春，130061）

寒冷地區(qū)閘門防冰方法研究及其應用

高志遠1，刁彥斌2

（1.中國電力工程有限公司，北京100048；2.長春華普大通工業(yè)控制設備有限公司，吉林長春，130061）

通過對不同直徑氣泡在水中的運動速度特性研究，得出能夠對水體產生高效擾動的氣泡群，在氣泡群的擾動下水體產生流場，使其不能生成冰核，通過工程應用驗證，是一種先進、有效的防冰方法。

氣泡防冰；閘門；射流防冰；寒冷地區(qū)

0 引言

冰害對寒冷地區(qū)水利水電工程擋水建筑物影響巨大，尤其是冰壓力對孔口跨度較大的表孔閘門影響更為嚴重，造成工程安全隱患，因此，防冰措施和方法正得到國內越來越多學者及工程技術人員的關注。

目前，壓力水流射流防冰在水利水電工程閘門防冰中多有應用，但該方法在實際運行中存在防冰效果不理想、設備可靠性差、檢修維護工作量大等缺點，所以，提出更為先進、實用的防冰措施對寒冷地區(qū)閘門防冰具有重要意義。經(jīng)多年工程實踐，作者對氣泡防冰方法進行了深入研究。借助氣泡理論相關文獻，提出了全新的防冰方法并取得了專利（專利號：ZL2015 2 0405715.5）。經(jīng)白俄羅斯維捷布斯克電站、哈達山水利樞紐等工程運行檢驗，防冰效果良好，很好地解決了閘門防冰這一普遍性的工程難題。

氣泡防冰的原理是利用氣泡在水中的運動特性，利用氣泡發(fā)生器產生符合大小以及數(shù)量要求的氣泡群，氣泡群在水中形成局部流場，使流場內的過冷水不能形成冰核。從美國猶他大學2011年對過冷水的試驗成果（Valeria Molinero,assistance professor of chemistry,2011年11月）可以得知，水在特定的條件下可以形成極低溫度（可達-48℃）的過冷水。美國科學家也在自然界中發(fā)現(xiàn)過溫度在-40℃的過冷水，可見溫度并不是唯一決定水的形態(tài)的因素。外界溫度只是水結冰的誘發(fā)因素，因為過冷的溫度導致水分子的移動速度減慢，從而導致物理結構的變化。

1 氣泡運動速度與其直徑的關系

一般來說,氣泡在粘性液體中的運動受到各種力的作用,包括阻力、壓力、浮力等,是一個非線性的、復雜的、不穩(wěn)定的動力過程。在發(fā)生顯著變形的同時常伴隨著破裂、融合等現(xiàn)象,上升路徑很不穩(wěn)定,常見的有螺旋形、之字形或任意擺動等。

對單個氣泡進行受力分析，如圖1所示。在考慮氣泡受力時，由于氣泡重力的數(shù)量級與其他力相比非常小，因此，其重力可以忽略。氣泡運動特性與其直徑d的大小有著密切的關系。

根據(jù)現(xiàn)有氣泡運動分析[1]，1 mm＜d＜4 mm時，受力平衡時，氣泡勻速上升速度：

式（1）中，g為重力加速度；d為氣泡直徑；ρl為液體密度；ρg為氣體密度；阻力系數(shù)ξ≈0.55～0.65，可取其平均值0.6進行計算。對公式代入相應數(shù)據(jù)后，得到：

圖1 氣泡受力分析Fig.1 Force analysis of the bubble

根據(jù)徐炯靜止水下氣泡運動特性的測試與分析[2]，不同大小的氣泡的運動速度并不相同，氣泡運動速度的大小與它形狀的大小有著密切的關系。圖2表示的是氣泡在水下上升過程中，其在水下的深度值h和時間t的關系，圖中橫坐標為上升時間t(s)，縱坐標為氣泡在水下的深度h(mm)。由圖2可見，所測試氣泡直徑0.5～4 mm范圍內，氣泡在高度方向運動隨時間呈現(xiàn)良好的線性關系，表明該氣泡沿高度方向運動呈勻速運動狀態(tài)。

圖2 不同直徑氣泡h-t曲線Fig.2 h-t curve for bubbles with different diameter

當d＞4 mm時，氣泡在運動過程中開始變形，變成扁橢球形氣泡。對于扁橢球形氣泡，氣泡的形狀可按扁柱體處理，在受力平衡后，得到：

式中：σ為氣泡表面張力系數(shù)。

從式（3）可以看出，對于大扁橢球形氣泡，其上升速度與其大小尺寸無關。

圖3為理論值與由實驗數(shù)據(jù)得到的關于氣泡運動速度與氣泡直徑關系的對比圖。由圖可見，當氣泡直徑很?。╠＜1 mm）時，氣泡上升速度隨氣泡直徑增大而快速增加；當d＞1 mm后，速度變化漸漸緩慢；當氣泡直徑達到3～4 mm以后，氣泡上升速度不再隨氣泡增大而增加，保持一定速度不再變化。

圖3 氣泡直徑與速度關系的理論與實驗比較圖Fig.3 Comparison between the theoretic and experimental velocity-diameter curves

2 氣泡對水的曳力（阻力）

流體與氣泡之間發(fā)生相對運動時將發(fā)生動量傳遞，氣泡與液體界面存在摩擦力，氣泡表面對液體有阻力作用，則流體對氣泡表面有曳力，阻力與曳力是一對作用力與反作用力，氣泡在流場中運動受到的液體的阻力即為曳力。氣泡所受曳力的計算式通常可表達為：

式中：ρl為液體的密度；vb為氣泡上升速度；d為氣泡當量直徑；CD是曳力系數(shù)。

氣泡在液體中上升，由于浮力的作用，氣泡在脫離氣泡發(fā)生器初期，在加速度的作用下加速上升，由曳力公式可知，速度值愈大，氣泡受到水的阻力也愈大，也就是氣泡對水的曳力值愈大。在阻力作用下，氣泡上升速度會逐漸趨于平衡，當豎直方向受到的合力為零時，氣泡達到平衡狀態(tài)，上升速度不再改變。

3 氣泡防冰機理

在上述單個氣泡運動特性分析中，直徑3 mm以下的氣泡在上升過程中，其形狀是一個比較穩(wěn)定的球形，直徑約3.5～4.0 mm的氣泡在水中上升速度最大，這一直徑范圍的氣泡所形成的氣泡群對水體的曳力優(yōu)于其他直徑的氣泡群。根據(jù)氣泡在水中的物理特性，結合不同氣泡直徑、出口壓力、氣量等條件下的優(yōu)化參數(shù)，設計、研發(fā)的氣泡發(fā)生器（專利技術）在水下能夠發(fā)生符合最大上升速度要求的氣泡，并形成連續(xù)不斷的氣泡群。氣泡群在初速度以及浮力作用下向上運動，氣泡對水體產生的曳力帶動氣泡群周圍水體產生豎向流動，形成局部環(huán)流（流場），處于流場內的水體不易生成結晶體（冰核），或破壞掉已生成的結晶體，從而達到對閘門等構筑物防冰的目的。

4 氣泡防冰技術工程應用

4.1 應用工程

（1）白俄羅斯維捷布斯克水電站泄水閘表孔弧門，孔口尺寸20 m×9.8 m。

（2）吉林松原哈達山水利樞紐泄水閘表孔弧門，孔口尺寸：16 m×6.6 m。

4.2 工程所在地環(huán)境溫度

（1）白俄羅斯維捷布斯克水電站最低環(huán)境溫度-36.5℃。

（2）哈達山水利樞紐工程所在地最低溫度-32℃，現(xiàn)場實測溫度-35℃，發(fā)生日期2016年1月22日。

圖4 松原哈達山2016年1月份溫度曲線Fig.4 Temperature curve of Matsubara hada mountain in January 2016

4.3 防冰效果

圖5為連續(xù)低溫條件下防冰效果。閘門面板前部不凍區(qū)域約1 500 mm（上、下游方向），完全消除了靜冰壓力對閘門的作用。同時，在閘門側止水與側軌結合部位，結冰也完全消除，為冬季開啟閘門提高了先決條件。

圖5 泄水閘表孔弧門氣泡防冰效果Fig.5 Anti-icing effect

5 結語

通過對氣泡理論、氣泡發(fā)生器形成流場的研究以及工程應用，可以得出如下結論：

（1）氣泡防冰技術可以有效消除靜冰壓力、冰拔力對閘門等構筑物的破壞。

（2）氣泡發(fā)生器可以布置在混凝土閘底板上，也可以布置在門葉上，還可以懸吊。布置靈活，不受水深限制。

（3）能耗低。氣泡防冰設備在哈達山水利樞紐工程運行期為2015年11月26日～2016年3月15日，數(shù)據(jù)記錄顯示，防冰設備平均能耗約0.05 kW/m·h。

（4）運行維護工作量小。

（5）環(huán)境友好、無污染。

[1]陳學俊.氣液兩相流與傳熱基礎[M].科學出版社,1995.

[2]徐炯,王彤,楊波,谷任綱,王煥然.靜止水下氣泡運動特性的測試與分析[J].水動力學研究與進展,2008,23(6)：117-122.

[3]蔣炎坤.水下排氣氣泡運動特性及其數(shù)值模擬研究[J].華中科技大學學報,2004,32(10)：49-50.

[4]蔣炎坤.水下氣泡群運動特性及其三維數(shù)值模擬研究[J].武漢理工大學學報,2005,27(4)：72-74.

Research and application of de-icing methods for gates in cold region

by GAO Zhi-yuan and DIAO Yan-bin
China National Electric Engineering Corporation

By research on underwater speed characteristics of bubbles with different diameter,the bubble diameter which produces efficient water disturbance is obtained.With the disturbance of bubbles, flow field is formed which would stop the generation of ice core.Proved by engineering application,this is an advanced and effective anti-icing method.

bubble anti-icing;gate;jet anti-icing;cold areas

book=44,ebook=50

TV663

B

1671-1092（2016）06-0044-03

2016-10-25；

2016-11-21

高志遠（1959-），男，天津人，高級工程師，從事水利水電工程技術管理工作。

作者郵箱：gaozhiyuan@cneec.com.cn