深海熱液保壓采樣器的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、開展深海熱液的物理、化學(xué)量的分析測量，是海洋資源環(huán)境勘查的主要任務(wù)之一，也是海洋科學(xué)研究的基本手段。熱液樣品的采集是一種常用的探測方法，但熱液噴口的極端環(huán)境給熱液樣品的采集工作帶來巨大的挑戰(zhàn)。此外，樣品的壓力變化造成氣相溶解組份的散失、有機(jī)物組份分解和微生物大量死亡等問題，因此研究保壓型熱液采樣器具有非常重要的意義。 論文提出一種新型的機(jī)械手觸發(fā)、蓄能器方式保壓的純機(jī)械式熱液采樣器結(jié)構(gòu)。針對采樣工作過程中外界海水環(huán)境溫度及壓力變

2、化造成的熱液樣品壓力變化問題，應(yīng)用熱力學(xué)及傳熱學(xué)理論研究壓力補(bǔ)償器的保壓機(jī)理。應(yīng)用有限元工具優(yōu)化設(shè)計(jì)耐壓容腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，解決其強(qiáng)度和質(zhì)量之間的矛盾；針對傳統(tǒng)采樣閥存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便等問題，提出一種新型配合副的耐高壓、零泄漏的采樣閥結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)研究閥芯復(fù)位彈簧力對其密封性能的影響；應(yīng)用有限元工具分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)閥芯及閥芯端部受力時(shí)的應(yīng)力分布及變形，改進(jìn)了閥芯設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，解決了閥芯在高壓下發(fā)生塑性變形甚至斷裂的問題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

3、采樣閥能夠耐壓70 MPa以上。為確保采集樣品的體積為設(shè)計(jì)體積，需控制合適的采樣速率，使采集樣品過程中壓力補(bǔ)償器內(nèi)氣體變化為近似等溫過程?；趧?dòng)力學(xué)仿真軟件AMESim建立采樣器系統(tǒng)的仿真模型，探討各參數(shù)對采樣速率的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性提供依據(jù)。 論文主要內(nèi)容分為6章： 第一章介紹海底熱液的形成過程及世界范圍內(nèi)的分布情況。從熱液采樣器的動(dòng)力源、保壓措施和采樣閥的觸發(fā)方式等方面總結(jié)目前國內(nèi)外的研究

4、現(xiàn)狀。提出本文的主要研究內(nèi)容。 第二章分析壓力補(bǔ)償器保壓機(jī)理的可行性。應(yīng)用熱力學(xué)及傳熱學(xué)理論研究壓力補(bǔ)償器內(nèi)氣體的狀態(tài)變化過程，評價(jià)影響樣品最終壓力的因素，得到氣體在工作過程中的熱力學(xué)狀態(tài)變化趨勢。分析結(jié)果表明采用壓力補(bǔ)償器保壓是可行的。 第三章主要研究熱液采樣器系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件(耐壓容腔和采樣閥)的設(shè)計(jì)問題。應(yīng)用有限元工具分析耐壓容腔結(jié)構(gòu)參數(shù)對其質(zhì)量和最大應(yīng)力的影響，得出優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。應(yīng)用有限元工具分析獲得不同結(jié)構(gòu)參數(shù)

5、的閥芯及閥芯端部受力時(shí)的應(yīng)力分布和靜態(tài)變形情況，為耐高壓閥的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。 第四章應(yīng)用流體力學(xué)理論，建立采樣器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，基于動(dòng)力學(xué)軟件AMESim平臺(tái)仿真探討采樣器流體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。確定了合適的節(jié)流器尺寸使采集樣品時(shí)壓力補(bǔ)償器內(nèi)氣體變化為近似等溫過程以確保采集樣品體積為設(shè)計(jì)體積。 第五章介紹機(jī)械手觸發(fā)式壓差驅(qū)動(dòng)型熱液采樣器的集成裝配方案，并對系統(tǒng)的壓力容腔、耐高壓采樣閥、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性以及溫度測量及無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行