大气复氧机理及双膜理论简析

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：对于大坝泄流和近岸海域，受风、潮汐、波浪等的影响，水体几乎无法保持静止状态，紊动复氧是大气复氧的重要过程。因此，大气复氧一般指紊动水体大气复氧。双膜理论是应用较多的一种理论模型。双膜理论把复杂问题大大简化，对低流速情况相当符合。在高紊动水体，由于自由表面产生严重变形，两相界面被漩涡贯穿，双膜理论中刚性自由表面及层流膜的假设不再成立，因此该理论不适用于高紊动水体。

复氧是气体中的氧经水气界面传输到水体中去的过程，包括静态和紊动水体大气复氧过程。对于静态水体，大气向水体复氧的现象，可以看作大气中的氧穿过水面向水体内部的分子扩散过程。对于大坝泄流和近岸海域，受风、潮汐、波浪等的影响，水体几乎无法保持静止状态，紊动复氧是大气复氧的重要过程。静止水体中，氧分子扩散系数很小，对水中溶解氧浓度的贡献极其微弱，一般可忽略不计。因此，大气复氧一般指紊动水体大气复氧。

双膜理论是应用较多的一种理论模型。该理论认为在气相和液相之间的界面上、下，存在气体和液体两层薄膜。无论水体紊动多么强烈，气膜、液膜总是存在，但紊动作用可以使液膜的厚度发生变化，紊动愈强厚度愈小。由于液膜分子扩散的阻力远大于气膜的阻力，发生的氧气转移慢于紊动混合发生的氧气转移，故氧气向液膜转移的速度受控于液膜内的分子扩散。在紧贴大气的液膜表面总能得到充足的大气量，因此，大气中的氧通过液膜表面总能源源不断地进入水体并成为溶解氧，这一过程称为氧在自由水表面的传质。该理论认为气态氧穿过空气、水表面的气膜和水膜的过程服从Fick第一定律

即

式中：m为穿过气、水表面膜的气态氧的质量，M；Cs为大气压作用下的饱和溶解氧浓度；σ为液膜厚度，L；A为水体与气体的接触面积，L2；Ω为水体体积；K L为液膜系数或称作表面传质系数，m/t。

双膜理论把复杂问题大大简化，对低流速情况相当符合。在高紊动水体，由于自由表面产生严重变形，两相界面被漩涡贯穿，双膜理论中刚性自由表面及层流膜的假设不再成立，因此该理论不适用于高紊动水体。

闸坝等泄水建筑物过坝水流与下游水体强烈碰撞或者风足够大使海面产生的波浪破碎，紊动使水流散裂，水流的翻滚及回旋使大量的空气被卷吸掺入水中，形成许多尺寸不一的气泡，气泡在水体紊动作用下分裂或聚合。当气泡迁移至一定水深时，在水体静压的作用下，释放大量空气溶于水体，同时大量气泡的存在使气液接触面积增加，导致下游水体溶解氧浓度增加。早在1989年，Mc Whirter等人［5］就提出在掺气条件下氧气与水界面处的质量输移不仅仅来源于空气与自由气水界面的质量传递，而且还依赖于掺入水体中的气泡与周围水界面处的质量输移。

气泡可以被定义为一种气体或多种气体混合物的独立体，由一层肉眼可见的界面（或者是膜）与周围介质分开。气体在气泡界面的传质过程如图1所示，当气泡内的气体进入周围水体时，穿过气膜和液膜，随着气泡内气体进入周围水体，气泡直径逐渐变小。在高流速紊动作用下，气泡内气体在界面停留短暂的时间，水体不断向气体提供新表面，同时将已在界面停留一定时间的气体换回到水体内部。气泡界面质量交换的速度依赖于气泡参数如掺气浓度、气泡多少、气泡直径、气泡上升速度、气体在气泡内的分压以及在水中的溶解浓度等。当气体进入气泡或从气泡内释放时所有这些参数都将发生改变。因此，研究气泡界面传质是十分复杂的工作。

图1　气泡界面传质示意图

大气复氧机理及双膜理论简析

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