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深海热液保压采样器的关键技术研究

刘伟

   开展深海热液的物理、化学量的分析测量,是海洋资源环境勘查的主要任务之一,也是海洋科学研究的基本手段。热液样品的采集是一种常用的探测方法,但热液喷口的极端环境给热液样品的采集工作带来巨大的挑战。此外,样品的压力变化造成气相溶解组份的散失、有机物组份分解和微生物大量死亡等问题,因此研究保压型热液采样器具有非常重要的意义。 论文提出一种新型的机械手触发、蓄能器方式保压的纯机械式热液采样器结构。针对采样工作过程中外界海水环境温度及压力变化造成的热液样品压力变化问题,应用热力学及传热学理论研究压力补偿器的保压机理。应用有限元工具优化设计耐压容腔的结构参数,解决其强度和质量之间的矛盾;针对传统采样阀存在的结构复杂、操作不便等问题,提出一种新型配合副的耐高压、零泄漏的采样阀结构,实验研究阀芯复位弹簧力对其密封性能的影响;应用有限元工具分析不同结构参数阀芯及阀芯端部受力时的应力分布及变形,改进了阀芯设计并进行实验验证,解决了阀芯在高压下发生塑性变形甚至断裂的问题,实验结果表明采样阀能够耐压70 MPa以上。为确保采集样品的体积为设计体积,需控制合适的采样速率,使采集样品过程中压力补偿器内气体变化为近似等温过程。基于动力学仿真软件AMESim建立采样器系统的仿真模型,探讨各参数对采样速率的影响,并通过实验验证,为合理设计系统的动态特性提供依据。 论文主要内容分为6章: 第一章介绍海底热液的形成过程及世界范围内的分布情况。从热液采样器的动力源、保压措施和采样阀的触发方式等方面总结目前国内外的研究现状。提出本文的主要研究内容。 第二章分析压力补偿器保压机理的可行性。应用热力学及传热学理论研究压力补偿器内气体的状态变化过程,评价影响样品最终压力的因素,得到气体在工作过程中的热力学状态变化趋势。分析结果表明采用压力补偿器保压是可行的。 第三章主要研究热液采样器系统中的关键部件(耐压容腔和采样阀)的设计问题。应用有限元工具分析耐压容腔结构参数对其质量和最大应力的影响,得出优化设计准则。应用有限元工具分析获得不同结构参数的阀芯及阀芯端部受力时的应力分布和静态变形情况,为耐高压阀的设计提供指导。 第四章应用流体力学理论,建立采样器系统的数学模型,基于动力学软件AMESim平台仿真探讨采样器流体系统的动态特性。确定了合适的节流器尺寸使采集样品时压力补偿器内气体变化为近似等温过程以确保采集样品体积为设计体积。 第五章介绍机械手触发式压差驱动型热液采样器的集成装配方案,并对系统的压力容腔、耐高压采样阀、系统动态特性以及温度测量及无线传输系统进行实验验证。另外,小型采样器成功地进行了海试应用,表明采样器系统的原理与结构设计是合理可行的。 第六章总结全文的研究工作,并提出进一步研究的工作和方向。……   
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