全海深宏生物采樣器回收過程樣品溫度仿真分析

王文廣，劉德順，金永平，劉廣平

（湖南科技大學(xué)海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與安全技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，湘潭 411201）

關(guān)鍵字 全海深宏生物采樣器；樣品溫度；回收過程；有限元分析

0 引 言

隨著世界人口劇增、環(huán)境惡化，陸地資源日益減少，因此人類對海洋生物資源的關(guān)注越來越重視。由于海洋生態(tài)環(huán)境的廣域性、復(fù)雜性和特殊性，所以海洋生物無論在數(shù)量上還是種類上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過陸生生物，而且其物種生態(tài)特性及其中間聯(lián)系也遠(yuǎn)比陸生生物復(fù)雜而廣泛。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界海洋較低等的生物就達(dá)20多萬種，其中就包括大量的深海宏生物，由于深海宏生物長期處于極端環(huán)境，其生理結(jié)構(gòu)和活動特征非常獨特，所以在生命科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和基因資源開發(fā)等領(lǐng)域均有著不可估量的應(yīng)用前景。為了獲得活性的深海宏生物樣品，就需要在回收過程中控制并維持采樣器中樣品的原位生活環(huán)境，所以開展全海深宏生物采樣器溫度特性的分析與控制研究就成為該領(lǐng)域的熱門課題之一。Kullenberg、Zangger和McCave等對采樣器密封艙溫度分布進(jìn)行了計算［1-2］；Kristoffersen、Lunne和Long等重點研究了保真采樣技術(shù)，設(shè)計了不同的保真采樣器［3-4］；劉國營和沈國泉等對采樣器進(jìn)行了保溫方案設(shè)計和保溫性能的數(shù)值模擬［5-6］。這些研究工作主要集中于采樣器的溫度分布和保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計，沒有聚焦于宏生物樣品在回收過程中的溫度變化，這正是本文研究的出發(fā)點。

1 全海深宏生物采樣器結(jié)構(gòu)原理及其回收過程

全海深宏生物采樣器首先通過搭載潛水器等方式到達(dá)指定海域和取樣深度。當(dāng)?shù)竭_(dá)海域取樣深度時，利用潛水器上的機械手打開誘捕裝置，釋放誘餌；等待一定時長后，再次利用機械手拔掉翻板閥上的頂針，翻板閥在彈簧的作用下，對全海深宏生物采樣器進(jìn)行密封；最后，全海深宏生物采樣器隨著潛水器一起上浮至海面，并將其打撈到甲板上進(jìn)行一系列的拆裝和樣品轉(zhuǎn)移。

全海深宏生物采樣器的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。全海深宏生物采樣器主要由壓力補償裝置、保壓筒、翻版密封機構(gòu)、誘捕裝置、可移動止反裝置、各種閥和連接管等裝置構(gòu)成。

在全海深宏生物采樣器中，壓力補償裝置主要由耐壓筒、活塞、端蓋和氮氣構(gòu)成，通過連接管與保壓筒連接，用于全海深宏生物采樣器在回收過程中對保壓筒進(jìn)行壓力補償，以維持宏生物樣品的原位壓力狀態(tài)；翻板密封機構(gòu)包括翻板體和翻板蓋，翻板體與保壓筒之間通過螺釘密封連接，翻板蓋通過彈簧與翻板體的閥孔進(jìn)行鉸接連接，其作用是在全海深宏生物采樣器回收時保證樣品的獨立性，可以有效防止在回收過程中其他生物和海水對原位樣品產(chǎn)生污染；誘捕裝置由耐壓筒、彈簧、活塞和誘餌構(gòu)成，通過連接管與保壓筒連接，在海水的壓力下，推動活塞移動，使得誘餌進(jìn)入保壓筒內(nèi)，用來吸引深海宏生物；可移動止反裝置包括可移動止反底圈、滑桿和搖桿，通過搖桿帶動可移動止反底圈在滑桿上進(jìn)行滑動，在轉(zhuǎn)移樣品時可以將宏生物推入培養(yǎng)釜。

2 全海深宏生物采樣器回收過程樣品溫度場建模與分析

2.1 環(huán)境溫度

全海深宏生物采樣器主要面向全海深范圍，要求對整個海域?qū)崿F(xiàn)全覆蓋。目前，人類所知最深的海底是馬里亞納海溝的斐查茲海淵，最深為11 034 m，故全海深宏生物采樣器回收過程模擬仿真中的最大深度設(shè)為11 100 m。

由于日光在海洋中的穿透能力很弱，所以日光在進(jìn)入海水后，其強度會迅速衰減。從海水的深度與溫度的關(guān)系上可將海水分為三層結(jié)構(gòu)：上層為混合層，此層的溫度是均勻變化的；中間層為溫躍層，此層溫度急劇下降；最下面一層位于溫躍層之下，海水的溫度較平穩(wěn)地下降。一般來說，海水深度每下降1 000 m，海水溫度就會下降1～2℃；在水深3 500～11 100 m處，海水溫度只有2℃左右。同樣，甲板上的溫度也會隨著時間的變化而變化，早上和晚上甲板溫度為30℃，中午甲板溫度為50℃。如表1所示，海水溫度還呈現(xiàn)季節(jié)性變化。

表1 環(huán)境溫度［9］Tab.1 Environmental temperature in the South China Sea

（續(xù)表）

為了保證全海深宏生物采樣器能夠在最嚴(yán)酷的環(huán)境下工作，本文采用如圖3所示的環(huán)境溫度模型。

圖2 環(huán)境溫度與取樣深度關(guān)系圖Fig.2 Ambient temperature versus sampling depth

2.2 回收歷時

全海深宏生物采樣器在回收過程中，會經(jīng)歷不同的環(huán)境溫度，在不同環(huán)境下經(jīng)歷的時間取決于它的回收速度。全海深宏生物采樣器一般有3種回收方式：第一種是搭載式，通過搭載在深潛器上進(jìn)行回收，比如奮斗者號；第二種為自浮式回收，是通過采樣器攜帶浮力比較大的材料來實現(xiàn)回收的；第三種是通過纜繩和絞車進(jìn)行回收的。所以全海深宏生物采樣器在海水中的回收速度一般為50～200 m/min。當(dāng)取樣深度一定時，根據(jù)不同的回收速度，可以很容易計算獲得全海深宏生物采樣器在不同海水環(huán)境溫度下所經(jīng)歷的時間。本文取回收速度為50 m/min、100 m/min、150 m/min和200 m/min進(jìn)行分析，如表2所示。特別需要指出，回收過程一般包括海里回收和海面回收2個階段。當(dāng)采樣器到達(dá)海面后，還需要對其進(jìn)行包括打撈、拆卸和轉(zhuǎn)移等一系列的操作，其歷時為30～80 min，本文取30 min、40 min、50 min、60 min、70 min和80 min進(jìn)行分析。

表2 采樣器回收過程中所處的環(huán)境溫度和時間Tab.2 Ambient temperature and time in sampler recovery process

2.3 樣品溫度場建模

本文采用有限元法，即通過ANSYS Workbench軟件中的Transient Thermal模塊對全海深宏生物采樣器回收過程的樣品溫度開展仿真分析。首先通過Solidworks三維軟件畫出全海深宏生物采樣器的簡化模型，并通過Geometry將它導(dǎo)入Transient Thermal中；然后在Engineering Data項輸入采樣器構(gòu)件的材料參數(shù)，并在Connections中設(shè)置各構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)度；最后通過Mesh來劃分網(wǎng)格，樣品的網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.005 m，其他都為0.008 m；全海深宏生物采樣器簡化模型的有限元網(wǎng)格如圖3所示。根據(jù)各種環(huán)境溫度、介質(zhì)熱性能、歷時，設(shè)置時間步長，就可以求解出采樣器回收過程中宏生物樣品活動空間溫度分布，如圖4所示。

圖3 全海深宏生物采樣器有限元網(wǎng)格模型Fig.3 Finite element grid model of whole deep-sea macro biosampler

圖4 宏生物樣品活動空間溫度云圖Fig.4 Cloud map of active space temperature of macro biosample

由于全海深宏生物采樣器在海水中工作的時間較長，所以采樣器在回收前的整體溫度可以設(shè)定為海水溫度，即在回收過程中其起始溫度可以整體設(shè)定為2℃。根據(jù)一般宏生物的特性，當(dāng)水環(huán)境溫度升高時，宏生物會游向溫度低的區(qū)域，考慮到樣品活動空間的溫度分布對稱性，本文取采樣器中心位置溫度作為樣品溫度進(jìn)行分析討論。

3 不同因素對全海深宏生物采樣器樣品溫度影響的分析

3.1 采樣裝置因素對全海深宏生物采樣器樣品溫度的影響

全海深宏生物采樣器溫度特性既與構(gòu)件材料有關(guān)，如不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)和對流系數(shù)等，也與構(gòu)件的幾何尺寸，如采樣器容積大小，特別是與它的保壓筒壁厚有關(guān)，但是因為保壓筒內(nèi)徑不變，所以保壓筒壁厚是由保壓筒的外徑?jīng)Q定的。選擇采樣器材料不但對其熱力學(xué)性能有要求，而且還需要考慮材料的耐壓強度和耐海水腐蝕的性能，表3列舉了幾種全海深裝備中常用的金屬材料以及它們的物理性能參數(shù)?；厥账俣葹?0 m/min，甲板上的轉(zhuǎn)移時間為80 min，保壓筒外徑如圖3所示，3種材料的采樣器回收過程樣品溫度仿真計算結(jié)果如圖5所示。

表3 20℃下全海深裝備中常用金屬材料的物理特性參數(shù)Tab.3 Physical characteristic parameters of commonly used metal materials in deep-sea equipment

由圖5可知，選擇不同材料的全海深宏生物采樣器，樣品到達(dá)海面還是轉(zhuǎn)移后的溫度都是不同的。40Cr合金鋼相對其他兩種材質(zhì)，樣品到達(dá)海面和轉(zhuǎn)移后的溫度是最高的；TC4鈦合金相對于其他兩種材質(zhì)，樣品到達(dá)海面和轉(zhuǎn)移后的溫度是最低的。但是，當(dāng)材質(zhì)從40Cr合金鋼變成TC4鈦合金時，樣品到達(dá)海面的溫度下降了0.5℃左右，轉(zhuǎn)移后，樣品的溫度下降了0.9℃左右。

圖5 樣品溫度和采樣器材質(zhì)的關(guān)系Fig.5 Sample temperature versus the material of sampler

從圖3可知，采樣器內(nèi)徑的中心線與外徑的中心線存在偏移，但是由于內(nèi)部需要流出足夠的空間給宏生物，所以其內(nèi)徑是固定的，又因為保壓筒的壁厚就是外徑與內(nèi)徑的差值，所以為了研究不同采樣器保壓筒壁厚對樣品溫度的具體影響，須改變保壓筒的外徑。以圖3所示的尺寸為基礎(chǔ)，然后增加保壓筒的外徑，所加半徑值分別為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm和30 mm，并對其有限元網(wǎng)格模型做出相應(yīng)變更。材料采用TC4鈦合金，海水中回收速度為50 m/min，樣品轉(zhuǎn)移操作時間為80 min，仿真分析結(jié)果如圖6所示。從圖可見，樣品溫度無論是到達(dá)海面還是轉(zhuǎn)移后，都隨著壁厚的增加而減小。當(dāng)保壓筒外徑的半徑值增加30 mm后，樣品到達(dá)海面的溫度下降了1.2℃左右，樣品轉(zhuǎn)移后的溫度下降了4℃左右。

圖6 所加壁厚和樣品溫度的關(guān)系Fig.6 Added wall thickness versus sample temperature

綜上所述，合理選擇全海深宏生物采樣器材料和尺寸，對于采樣器回收過程樣品溫度控制具有一定的作用。但是，全海深宏生物采樣器設(shè)計不僅受到其制造成本的約束，特別是受到整體重量的嚴(yán)格限制。比如，搭載于某潛水器的全海深宏生物采樣器，要求其整體重量不能超過80 kg，因此依靠增加壁厚來實現(xiàn)樣品溫度控制是非常有限的。例如，以TC4鈦合金為例，經(jīng)過計算，最多可以在原有的基礎(chǔ)上添加15 mm的壁厚［11］，降低樣品溫度升高2℃左右。正是采樣器重量限制，主動溫度控制方法一般不能適應(yīng)。所以，為了保證宏生物活性，保持采樣器宏生物活動環(huán)境的溫度，全海深宏生物采樣器必須采用保溫涂層，既不明顯增加采樣器重量，又能夠高效阻止環(huán)境溫度向樣品活動區(qū)域擴散。

3.2 回收操作因素對全海深宏生物采樣器樣品溫度的影響

全海深宏生物采樣器樣品溫度變化遵循熱交換規(guī)律，樣品溫度與環(huán)境溫度相差越小，溫度變化就越?。辉诟邷丨h(huán)境中歷時越短，溫度升高就越小。在實踐中，從全海深取樣到科考船轉(zhuǎn)移過程，是一個環(huán)境溫度升高和樣品溫度升高的過程。全海深宏生物采樣器回收操作包括從采樣點回收到海面、從海面打撈到拆卸和轉(zhuǎn)移2個步驟。

選取全海深宏生物采樣器海水中回收速度為50 m/min、100 m/min、150 m/min和200 m/min進(jìn)行仿真分析。全海深宏生物采樣器的材質(zhì)為TC4鈦合金，轉(zhuǎn)移操作時間為80 min。有限元仿真分析結(jié)果如圖7所示，不同的回收方式即不同的回收速度，樣品到達(dá)海面的溫度是不同的，當(dāng)回收速度從50 m/min變成200 m/min時，樣品到達(dá)海面的溫度下降了2℃左右。

圖7 樣品溫度和回收速度的關(guān)系Fig.7 Sample temperature versus recovery speed

當(dāng)全海深宏生物采樣器到達(dá)海面后，還需要進(jìn)行打撈、拆卸和轉(zhuǎn)移等一系列的操作，本文分別選取30 min、40 min、50 min、60 min、70 min和80 min進(jìn)行仿真分析。海水中回收速度為50m/min，其仿真分析結(jié)果如圖8所示。從圖8可知，轉(zhuǎn)移操作時間越短，樣品溫度升高就越小，當(dāng)轉(zhuǎn)移操作時間從80 min變成30 min時，樣品溫度會下降17℃左右。

圖8 樣品溫度和轉(zhuǎn)移操作時間的關(guān)系Fig.8 Sample temperature versus transfer operation time

綜上所述，由于全海深海底溫度較低，全海深宏生物采樣器在回收操作過程中對樣品溫度有著明顯影響。加快回收操作速度，縮短回收操作時間，有利于采樣器樣品溫度控制；特別地，因為海面溫度遠(yuǎn)高于海水溫度，盡量縮短回收樣品轉(zhuǎn)移時間，減少采樣器暴露于高溫空氣中，是控制采樣器樣品溫度升高的更為有效的方法。因為海水中回收速度從50 m/min變成200 m/min，提高了3倍，溫升僅僅下降了0.5℃，而樣品轉(zhuǎn)移操作時間從80 min變成30 min，縮短到近1/3，溫升即降低17℃左右。在全海深宏生物采樣器回收操作實踐中，可以先將采樣器迅速回收到低溫容器中，然后再在低溫環(huán)境下，對全海深宏生物采樣器進(jìn)行拆卸和樣品轉(zhuǎn)移，以便盡量減少采樣器暴露于高溫空氣中、甲板上的時間，控制采樣器中宏生物活動環(huán)境溫度。

4 結(jié) 語

本文分析了全海深宏生物采樣器結(jié)構(gòu)原理及其回收過程，應(yīng)用ANSYS Workbench軟件，開展了全海深宏生物采樣器回收過程樣品溫度有限元仿真分析。仿真分析結(jié)果表明，由于全海深海底溫度較低，全海深宏生物采樣器回收過程伴隨著樣品溫度持續(xù)升高，樣品溫度變化受到回收操作、采樣器材料和壁厚等因素影響。對于自身重量受到嚴(yán)格限制的搭載式全海深宏生物采樣器，為了保持采樣器宏生物活動環(huán)境的溫度穩(wěn)定，必須在全海深宏生物采樣器外表面采用高效保溫涂層，并且采取措施、加快回收操作中樣品轉(zhuǎn)移速度，縮短其暴露于高溫空氣中的時間。