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内源污染逐渐演化成为影响分层湖泊水库水质的主导因素。等温层曝气是控制分层水库内源污染的有效技术，但国内外现有的等温层曝气动力学模型的预测精度不理想，无法指导等温层曝气的优化设计和运行。本文采用理论分析与实验验证相结合的研究方法，建立了等温层曝气水动力学模型和氧传质动力学模型，合理确定了关键的模型参数，成功预测了等温层曝气器内表观水流速度和溶解氧浓度分布；利用所建的等温层曝气水动力学模型和氧传质动力学模型，研究了曝气量、曝气孔径和升流区高度等对等温层曝气混合充氧效果的影响特性，提出了等温层曝气器的优化设计和运行方法。论文主要研究成果如下：(1)系统分析了等温层曝气器内气水两相流运动的输入能量以及各项能量损失，建立了基于曝气室内能量平衡方程和气液漂移方程的一维等温层曝气水动力学模型，以及该模型的基于MATLAB的真域算法，合理表征了涡流能量损失系数KW和曝气室顶部能量损失系数KT，利用美国Prince湖和Western Branch湖等温层曝气器的现场运行数据，对水动力学模型进行了验证，应用所建水动力学模型能将表观水流速度的预测误差从之前的±25%降低到±8%。(2)利用等温层曝气器小试装置，进行了不同工况条件下的等温层曝气试验，试验结果表明曝气器内表观水流速度随曝气量的增加而增大，随曝气孔径和升流区高度的增加而减小，主要是不同工况条件下各项能量的再分配所致；合理确定了涡流能量损失系数KW、曝气室顶部能量损失系数KT和气液漂移速度，应用所建的一维水动力学模型成功预测了不同工况条件下的表观水流速度，预测误差为±10%。(3)根据美国Prince湖和Western Branch湖等温层曝气器结构尺寸和相关的模型参数，利用所建的等温层曝气水动力学模型，预测的表观水流速度的变化特性与等温层曝气器小试装置的变化特性类似。(4)重点分析了等温层曝气器升流区气泡—水体界面的氧传质过程，合理确定了表征氧传质效果的各项参数，在单个离散气泡模型和双膜理论基础上建立了等温层曝气氧传质动力学模型及其解析方法，利用等温层曝气水动力学模型解析所得气含率gr和表观水流速度Ulr，成功预测了美国Prince湖和Western Branch湖等温层曝气器的充氧效果。(5)根据利用等温层曝气氧传质模型的预测结果，减小气泡直径和增加水深均有利于改善曝气室升流区充氧效果，特别当气泡直径达到微米级别时，曝气充氧能力大大增强；固定曝气器尺寸时，当曝气量Qg增加到一定临界值时，随着曝气量Qg的增加，曝气室升流区内充氧效果反而削弱。(6)以曝气室顶部水体溶解氧浓度为优化目标，利用本文所建的等温层曝气水动力学模型和氧传质模型，可指导等温层曝气器的优化设计和运行。