寒冷地區(qū)閘門防冰方法研究及其應(yīng)用

高志遠(yuǎn)，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(shè)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(yīng)用

高志遠(yuǎn)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(shè)備有限公司，吉林長春，130061）

通過對(duì)不同直徑氣泡在水中的運(yùn)動(dòng)速度特性研究，得出能夠?qū)λw產(chǎn)生高效擾動(dòng)的氣泡群，在氣泡群的擾動(dòng)下水體產(chǎn)生流場，使其不能生成冰核，通過工程應(yīng)用驗(yàn)證，是一種先進(jìn)、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(duì)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(duì)孔口跨度較大的表孔閘門影響更為嚴(yán)重，造成工程安全隱患，因此，防冰措施和方法正得到國內(nèi)越來越多學(xué)者及工程技術(shù)人員的關(guān)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(yīng)用，但該方法在實(shí)際運(yùn)行中存在防冰效果不理想、設(shè)備可靠性差、檢修維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)，所以，提出更為先進(jìn)、實(shí)用的防冰措施對(duì)寒冷地區(qū)閘門防冰具有重要意義。經(jīng)多年工程實(shí)踐，作者對(duì)氣泡防冰方法進(jìn)行了深入研究。借助氣泡理論相關(guān)文獻(xiàn)，提出了全新的防冰方法并取得了專利（專利號(hào)：ZL2015 2 0405715.5）。經(jīng)白俄羅斯維捷布斯克電站、哈達(dá)山水利樞紐等工程運(yùn)行檢驗(yàn)，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(yùn)動(dòng)特性，利用氣泡發(fā)生器產(chǎn)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(nèi)的過冷水不能形成冰核。從美國猶他大學(xué)2011年對(duì)過冷水的試驗(yàn)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(dá)-48℃）的過冷水。美國科學(xué)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(jié)冰的誘發(fā)因素，因?yàn)檫^冷的溫度導(dǎo)致水分子的移動(dòng)速度減慢，從而導(dǎo)致物理結(jié)構(gòu)的變化。

1 氣泡運(yùn)動(dòng)速度與其直徑的關(guān)系

一般來說,氣泡在粘性液體中的運(yùn)動(dòng)受到各種力的作用,包括阻力、壓力、浮力等,是一個(gè)非線性的、復(fù)雜的、不穩(wěn)定的動(dòng)力過程。在發(fā)生顯著變形的同時(shí)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(dòng)等。

對(duì)單個(gè)氣泡進(jìn)行受力分析，如圖1所示。在考慮氣泡受力時(shí)，由于氣泡重力的數(shù)量級(jí)與其他力相比非常小，因此，其重力可以忽略。氣泡運(yùn)動(dòng)特性與其直徑d的大小有著密切的關(guān)系。

根據(jù)現(xiàn)有氣泡運(yùn)動(dòng)分析[1]，1 mm＜d＜4 mm時(shí)，受力平衡時(shí)，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(jìn)行計(jì)算。對(duì)公式代入相應(yīng)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(yùn)動(dòng)特性的測試與分析[2]，不同大小的氣泡的運(yùn)動(dòng)速度并不相同，氣泡運(yùn)動(dòng)速度的大小與它形狀的大小有著密切的關(guān)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(shí)間t的關(guān)系，圖中橫坐標(biāo)為上升時(shí)間t(s)，縱坐標(biāo)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(nèi)，氣泡在高度方向運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，表明該氣泡沿高度方向運(yùn)動(dòng)呈勻速運(yùn)動(dòng)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(dāng)d＞4 mm時(shí)，氣泡在運(yùn)動(dòng)過程中開始變形，變成扁橢球形氣泡。對(duì)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(duì)于大扁橢球形氣泡，其上升速度與其大小尺寸無關(guān)。

圖3為理論值與由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的關(guān)于氣泡運(yùn)動(dòng)速度與氣泡直徑關(guān)系的對(duì)比圖。由圖可見，當(dāng)氣泡直徑很小（d＜1 mm）時(shí)，氣泡上升速度隨氣泡直徑增大而快速增加；當(dāng)d＞1 mm后，速度變化漸漸緩慢；當(dāng)氣泡直徑達(dá)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(guān)系的理論與實(shí)驗(yàn)比較圖Fig.3 Comparison between the theoretic and experimental velocity-diameter curves

2 氣泡對(duì)水的曳力（阻力）

流體與氣泡之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)將發(fā)生動(dòng)量傳遞，氣泡與液體界面存在摩擦力，氣泡表面對(duì)液體有阻力作用，則流體對(duì)氣泡表面有曳力，阻力與曳力是一對(duì)作用力與反作用力，氣泡在流場中運(yùn)動(dòng)受到的液體的阻力即為曳力。氣泡所受曳力的計(jì)算式通常可表達(dá)為：

式中：ρl為液體的密度；vb為氣泡上升速度；d為氣泡當(dāng)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(duì)水的曳力值愈大。在阻力作用下，氣泡上升速度會(huì)逐漸趨于平衡，當(dāng)豎直方向受到的合力為零時(shí)，氣泡達(dá)到平衡狀態(tài)，上升速度不再改變。

3 氣泡防冰機(jī)理

在上述單個(gè)氣泡運(yùn)動(dòng)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(gè)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(duì)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(jié)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(shè)計(jì)、研發(fā)的氣泡發(fā)生器（專利技術(shù)）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(yùn)動(dòng)，氣泡對(duì)水體產(chǎn)生的曳力帶動(dòng)氣泡群周圍水體產(chǎn)生豎向流動(dòng)，形成局部環(huán)流（流場），處于流場內(nèi)的水體不易生成結(jié)晶體（冰核），或破壞掉已生成的結(jié)晶體，從而達(dá)到對(duì)閘門等構(gòu)筑物防冰的目的。

4 氣泡防冰技術(shù)工程應(yīng)用

4.1 應(yīng)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(dá)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(dá)山水利樞紐工程所在地最低溫度-32℃，現(xiàn)場實(shí)測溫度-35℃，發(fā)生日期2016年1月22日。

圖4 松原哈達(dá)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(duì)閘門的作用。同時(shí)，在閘門側(cè)止水與側(cè)軌結(jié)合部位，結(jié)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(jié)語

通過對(duì)氣泡理論、氣泡發(fā)生器形成流場的研究以及工程應(yīng)用，可以得出如下結(jié)論：

（1）氣泡防冰技術(shù)可以有效消除靜冰壓力、冰拔力對(duì)閘門等構(gòu)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(shè)備在哈達(dá)山水利樞紐工程運(yùn)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(shè)備平均能耗約0.05 kW/m·h。

（4）運(yùn)行維護(hù)工作量小。

（5）環(huán)境友好、無污染。

[1]陳學(xué)俊.氣液兩相流與傳熱基礎(chǔ)[M].科學(xué)出版社,1995.

[2]徐炯,王彤,楊波,谷任綱,王煥然.靜止水下氣泡運(yùn)動(dòng)特性的測試與分析[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,2008,23(6)：117-122.

[3]蔣炎坤.水下排氣氣泡運(yùn)動(dòng)特性及其數(shù)值模擬研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2004,32(10)：49-50.

[4]蔣炎坤.水下氣泡群運(yùn)動(dòng)特性及其三維數(shù)值模擬研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),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(yuǎn)（1959-），男，天津人，高級(jí)工程師，從事水利水電工程技術(shù)管理工作。

作者郵箱：gaozhiyuan@cneec.com.cn