等温层曝气诱导内波破坏分层型水源水库水体分层的过程与机理

针对目前水体分层引发的分层型水源水库的水质污染以及破坏分层技术的高耗能问题，以分层流体中内波形成和演变过程为切入点，以分层型水源水库为对象，系统研究等温层曝气诱导内波破坏分层型水源水库水体分层的过程与机理。主要包括：研究在约束分层水环境中利用等温层曝气诱导内波形成的条件，探明气水两相流条件下内波形成的机理，分析不同曝气方式、气泡性状、跃温层温度梯度对内波形成的影响；可视化研究内波演变过程，计算内波演变过程中跃温层水体的密度场和剪切场，分析内波演变过程中的对流不稳定和剪切不稳定，探求内波破碎的主要条件与机理；计算并比较不同内波混合条件下的离散系数，研究等温层曝气诱导内波破坏水体分层的主要机理，揭示水体分层破坏程度与内波形成条件的关系，探明内波混合对跃温层动态下潜的促进机制。该研究将为应用等温层曝气诱导内波混合技术经济高效地改善分层型水源水库水质提供科学的理论依据和直接的理论支持。

针对目前水体分层引发的分层型水源水库的水质污染以及破坏分层技术的高耗能问题，首次研究了等温层曝气诱导内波破坏分层型水源水库水体分层的过程与机理。（1）气水两相流的尾迹带动整个模型水体上下振动,这种振动在分层水体跃温层处诱导形成尾迹内波；（2）当曝气器出水口位于跃温层内、气弹释放周期大于180s时，曝气可以诱导产生连续的内波；（3）内波周期、波幅、波速主要受气弹释放周期影响，其次受曝气器出水口垂向高度、温度梯度和水深影响；（4）随气弹释放周期的增加，内波波幅先增加,在44.06~58.69s之间达到峰值;（5）内波波高、周期随曝气器出水口垂向高度及水深的增大而增大，初始内波周期和波幅与温度梯度成反比关系，内波波速与温度梯度成正比关系；（6）初始温度梯度相同时，随着气弹释放周期的减小，内波周期、波幅和波速均呈先增大后减小的趋势；（7）内波破坏分层过程主要以减小表层和底层水温差别､驱使跃温层下潜､等温层变薄为特征,破坏分层的速度与曝气量正相关､与温度梯度负相关；相对传统的循环水流混合,内波混合可分别将破坏分层效率提高25.0%～60.0%；（8）破坏分层期间,內波一直存在于跃温层内部，跃温层下潜速度逐渐减小,但內波持续时间、周期、波幅均逐渐变大;同等条件下,跃温层下潜速度随着温度梯度的增加而减小;（9）内波在有限分层水体横向传播过程中,并未发生破碎,并通过Richardson数的计算结果证实；內波主要依靠流体质点垂向的上下移动促使水体混合；（10）不同于传统的循环水流，内波混合的能量利用率较高，利用内波改善分层水库水质具有广阔的应用前景。