寒冷地区闸门防冰方法研究及其应用

高志远，刁彦斌

（1.中国电力工程有限公司，北京100048；2.长春华普大通工业控制设备有限公司，吉林长春，130061）

寒冷地区闸门防冰方法研究及其应用

高志远1，刁彦斌2

（1.中国电力工程有限公司，北京100048；2.长春华普大通工业控制设备有限公司，吉林长春，130061）

通过对不同直径气泡在水中的运动速度特性研究，得出能够对水体产生高效扰动的气泡群，在气泡群的扰动下水体产生流场，使其不能生成冰核，通过工程应用验证，是一种先进、有效的防冰方法。

气泡防冰；闸门；射流防冰；寒冷地区

0 引言

冰害对寒冷地区水利水电工程挡水建筑物影响巨大，尤其是冰压力对孔口跨度较大的表孔闸门影响更为严重，造成工程安全隐患，因此，防冰措施和方法正得到国内越来越多学者及工程技术人员的关注。

目前，压力水流射流防冰在水利水电工程闸门防冰中多有应用，但该方法在实际运行中存在防冰效果不理想、设备可靠性差、检修维护工作量大等缺点，所以，提出更为先进、实用的防冰措施对寒冷地区闸门防冰具有重要意义。经多年工程实践，作者对气泡防冰方法进行了深入研究。借助气泡理论相关文献，提出了全新的防冰方法并取得了专利（专利号：ZL2015 2 0405715.5）。经白俄罗斯维捷布斯克电站、哈达山水利枢纽等工程运行检验，防冰效果良好，很好地解决了闸门防冰这一普遍性的工程难题。

气泡防冰的原理是利用气泡在水中的运动特性，利用气泡发生器产生符合大小以及数量要求的气泡群，气泡群在水中形成局部流场，使流场内的过冷水不能形成冰核。从美国犹他大学2011年对过冷水的试验成果（Valeria Molinero,assistance professor of chemistry,2011年11月）可以得知，水在特定的条件下可以形成极低温度（可达-48℃）的过冷水。美国科学家也在自然界中发现过温度在-40℃的过冷水，可见温度并不是唯一决定水的形态的因素。外界温度只是水结冰的诱发因素，因为过冷的温度导致水分子的移动速度减慢，从而导致物理结构的变化。

1 气泡运动速度与其直径的关系

一般来说,气泡在粘性液体中的运动受到各种力的作用,包括阻力、压力、浮力等,是一个非线性的、复杂的、不稳定的动力过程。在发生显著变形的同时常伴随着破裂、融合等现象,上升路径很不稳定,常见的有螺旋形、之字形或任意摆动等。

对单个气泡进行受力分析，如图1所示。在考虑气泡受力时，由于气泡重力的数量级与其他力相比非常小，因此，其重力可以忽略。气泡运动特性与其直径d的大小有着密切的关系。

根据现有气泡运动分析[1]，1 mm＜d＜4 mm时，受力平衡时，气泡匀速上升速度：

式（1）中，g为重力加速度；d为气泡直径；ρl为液体密度；ρg为气体密度；阻力系数ξ≈0.55～0.65，可取其平均值0.6进行计算。对公式代入相应数据后，得到：

图1 气泡受力分析Fig.1 Force analysis of the bubble

根据徐炯静止水下气泡运动特性的测试与分析[2]，不同大小的气泡的运动速度并不相同，气泡运动速度的大小与它形状的大小有着密切的关系。图2表示的是气泡在水下上升过程中，其在水下的深度值h和时间t的关系，图中横坐标为上升时间t(s)，纵坐标为气泡在水下的深度h(mm)。由图2可见，所测试气泡直径0.5～4 mm范围内，气泡在高度方向运动随时间呈现良好的线性关系，表明该气泡沿高度方向运动呈匀速运动状态。

图2 不同直径气泡h-t曲线Fig.2 h-t curve for bubbles with different diameter

当d＞4 mm时，气泡在运动过程中开始变形，变成扁椭球形气泡。对于扁椭球形气泡，气泡的形状可按扁柱体处理，在受力平衡后，得到：

式中：σ为气泡表面张力系数。

从式（3）可以看出，对于大扁椭球形气泡，其上升速度与其大小尺寸无关。

图3为理论值与由实验数据得到的关于气泡运动速度与气泡直径关系的对比图。由图可见，当气泡直径很小（d＜1 mm）时，气泡上升速度随气泡直径增大而快速增加；当d＞1 mm后，速度变化渐渐缓慢；当气泡直径达到3～4 mm以后，气泡上升速度不再随气泡增大而增加，保持一定速度不再变化。

图3 气泡直径与速度关系的理论与实验比较图Fig.3 Comparison between the theoretic and experimental velocity-diameter curves

2 气泡对水的曳力（阻力）

流体与气泡之间发生相对运动时将发生动量传递，气泡与液体界面存在摩擦力，气泡表面对液体有阻力作用，则流体对气泡表面有曳力，阻力与曳力是一对作用力与反作用力，气泡在流场中运动受到的液体的阻力即为曳力。气泡所受曳力的计算式通常可表达为：

式中：ρl为液体的密度；vb为气泡上升速度；d为气泡当量直径；CD是曳力系数。

气泡在液体中上升，由于浮力的作用，气泡在脱离气泡发生器初期，在加速度的作用下加速上升，由曳力公式可知，速度值愈大，气泡受到水的阻力也愈大，也就是气泡对水的曳力值愈大。在阻力作用下，气泡上升速度会逐渐趋于平衡，当竖直方向受到的合力为零时，气泡达到平衡状态，上升速度不再改变。

3 气泡防冰机理

在上述单个气泡运动特性分析中，直径3 mm以下的气泡在上升过程中，其形状是一个比较稳定的球形，直径约3.5～4.0 mm的气泡在水中上升速度最大，这一直径范围的气泡所形成的气泡群对水体的曳力优于其他直径的气泡群。根据气泡在水中的物理特性，结合不同气泡直径、出口压力、气量等条件下的优化参数，设计、研发的气泡发生器（专利技术）在水下能够发生符合最大上升速度要求的气泡，并形成连续不断的气泡群。气泡群在初速度以及浮力作用下向上运动，气泡对水体产生的曳力带动气泡群周围水体产生竖向流动，形成局部环流（流场），处于流场内的水体不易生成结晶体（冰核），或破坏掉已生成的结晶体，从而达到对闸门等构筑物防冰的目的。

4 气泡防冰技术工程应用

4.1 应用工程

（1）白俄罗斯维捷布斯克水电站泄水闸表孔弧门，孔口尺寸20 m×9.8 m。

（2）吉林松原哈达山水利枢纽泄水闸表孔弧门，孔口尺寸：16 m×6.6 m。

4.2 工程所在地环境温度

（1）白俄罗斯维捷布斯克水电站最低环境温度-36.5℃。

（2）哈达山水利枢纽工程所在地最低温度-32℃，现场实测温度-35℃，发生日期2016年1月22日。

图4 松原哈达山2016年1月份温度曲线Fig.4 Temperature curve of Matsubara hada mountain in January 2016

4.3 防冰效果

图5为连续低温条件下防冰效果。闸门面板前部不冻区域约1 500 mm（上、下游方向），完全消除了静冰压力对闸门的作用。同时，在闸门侧止水与侧轨结合部位，结冰也完全消除，为冬季开启闸门提高了先决条件。

图5 泄水闸表孔弧门气泡防冰效果Fig.5 Anti-icing effect

5 结语

通过对气泡理论、气泡发生器形成流场的研究以及工程应用，可以得出如下结论：

（1）气泡防冰技术可以有效消除静冰压力、冰拔力对闸门等构筑物的破坏。

（2）气泡发生器可以布置在混凝土闸底板上，也可以布置在门叶上，还可以悬吊。布置灵活，不受水深限制。

（3）能耗低。气泡防冰设备在哈达山水利枢纽工程运行期为2015年11月26日～2016年3月15日，数据记录显示，防冰设备平均能耗约0.05 kW/m·h。

（4）运行维护工作量小。

（5）环境友好、无污染。

[1]陈学俊.气液两相流与传热基础[M].科学出版社,1995.

[2]徐炯,王彤,杨波,谷任纲,王焕然.静止水下气泡运动特性的测试与分析[J].水动力学研究与进展,2008,23(6)：117-122.

[3]蒋炎坤.水下排气气泡运动特性及其数值模拟研究[J].华中科技大学学报,2004,32(10)：49-50.

[4]蒋炎坤.水下气泡群运动特性及其三维数值模拟研究[J].武汉理工大学学报,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

高志远（1959-），男，天津人，高级工程师，从事水利水电工程技术管理工作。

作者邮箱：gaozhiyuan@cneec.com.cn