新型海底沉積物采樣器結(jié)構(gòu)設(shè)計及采樣過程仿真分析

摘 要:針對海底沉積物采集的特點，設(shè)計了新型海底沉積物采樣器，將采樣和保真融為一體，利用海底觸發(fā)裝置實現(xiàn)采樣，利用海水等靜壓原理實現(xiàn)采樣器的封口與保真，采用FLUENT軟件對采樣過程進(jìn)行了模擬仿真，并對采樣的動態(tài)過程進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示在下落高度足夠時，采樣器撞擊海底的速度趨于穩(wěn)定值，同時攻角小于5°時采樣時所受的阻力最小。

關(guān)鍵詞:海底采樣器;保真;動態(tài)仿真;攻角

中圖分類號:U6;TH766 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:16717953(2009)04000403

The Structural Design of New Type Seabed Sampler and the Dynamic Analysis of Collecting Process

ZHANG Qingli，LIU Guijie，LIU Guoying

(College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao，266000，China)

Abstract: A new type seabed samplers are designed for the characteristics of collecting Marine sediment . The function of collection and fidelity are joined in one machine. Seabed trigger device are used to collection， and the seabed fidelity is carried out by Principle Isotropic pressing of sea water. And the simulation of collection process is carried out by software FLUENT. And the dynamic process of collection is analyzed. The result shows that the impacting speed to the seabed tend to Stable value. Also，sampler suffered the least resistance when the attack angle is less than 5°.

Key words: seabed sampler; fidelity;simulation;attack angle

我國擁有的海域面積達(dá)到300萬平方公里，蘊含著豐富的能量，隨著大陸上蘊含的能量的日益減少，能量開采的中心將有陸地轉(zhuǎn)移到海上，調(diào)查海底的結(jié)構(gòu)和能量分布的狀況顯得非常重要，客觀上刺激了不同功能和類別的海底采樣器的研究。例如在海底石油和天然氣的勘探中一方面需要采集海底沉積物，另方面采樣后需要對樣品進(jìn)行封存保真，以便在實驗室研究時仍保持海底的狀態(tài)。這就對海底采樣器提出了很高的要求。

海底采樣器是進(jìn)行海底地質(zhì)調(diào)查獲取.海底沉積物的基本設(shè)備。在油氣勘探采樣中要求取樣管盡可能深地鉆(貫)人海底地層;有較高的芯樣采取率，并對所取土(巖)樣的擾動程度最小，同時要求樣品能保持海底的狀態(tài)。目前海底采樣器的分類主要有抓斗式取樣器、重力取樣器、沖擊式取樣器、錘擊式取樣器、振動式取樣器、靠蓄電池驅(qū)動的擺扭式取樣器、回轉(zhuǎn)式海底取樣器、振動回轉(zhuǎn)式取樣器等多種形式^[1]。

根據(jù)采樣的目的不同，國內(nèi)外學(xué)者對海底采樣器進(jìn)行了深入的研究。Yngve Kristoffersen等人利用海水等靜壓驅(qū)動海底采樣器，采樣效率高于普通重力采樣器的2倍^[2];Temdoung Somsiri等人研究了一種方便轉(zhuǎn)移和組裝的池塘底表層采樣器，該采樣器用于采集海底沉積物對細(xì)菌進(jìn)行分析^[3]，該采樣器的研究對海底采樣設(shè)備的研究有著重要的參考價值;為了采集海底的細(xì)粒沉積物RICHARD A. JAHNKE等人研究了重力驅(qū)動，液壓泵多功能活塞采樣器^[4]。國內(nèi)學(xué)者王輝榮采用組合式海底表層樣品采樣器，克服了風(fēng)浪較大、流速較急的海況下，或在沉積物硬度較大的海區(qū)樣品采集的效果很差的缺點^[5];王樹新等人利用新型形狀記憶合金(SMA)，研究了海底火山噴發(fā)樣液的提取的采樣器，并可以應(yīng)用于相關(guān)類似環(huán)境的熱液采樣^[6];朱亮、程毅等采用保真技術(shù)研究并設(shè)計了海底保真采樣器^[7-8]。以上研究從不同的應(yīng)用場合出發(fā)，研究了不同工作環(huán)境和工作條件下海底采樣器的實現(xiàn)方法和設(shè)計過程，但對同時實現(xiàn)海底采樣和保真的復(fù)合功能采樣器的研究比較罕見，本課題組在分析以上各類采樣器的基礎(chǔ)上，針對油氣勘探采樣的要求，提出了新型海底沉積物采樣器的研究和設(shè)計方法。

油氣勘探采樣首先滿足成功采樣的要求，其次要滿足保真的要求，保證樣品保持在海底的狀態(tài)。結(jié)合采樣樣品的特點，本課題組提出利用重力采樣的方式完成采樣，利用多層保溫筒進(jìn)行保真，并且利用海水等靜壓原理實現(xiàn)采樣器保溫桶的密封等多種動作。

1 新型海底沉積物采樣器的結(jié)構(gòu)及工作原理

新型海底沉積物采樣器的工作流程如圖1所示:

在整個采樣過程中有幾個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)影

響到采樣系統(tǒng)的工作質(zhì)量:1)系統(tǒng)入水后得到一個信號，在規(guī)定的行程下進(jìn)行采樣;2)采樣后要給系統(tǒng)一個信號完成系統(tǒng)的封口保真動作;3)在確定封口無誤后將采樣器取出水面，進(jìn)入樣品分析階段。因此系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮信號源和動力源的產(chǎn)生。

1.1 采樣系統(tǒng)的動力源

動力源是采樣保真系統(tǒng)完成采樣保真任務(wù)的動力依據(jù)。該系統(tǒng)的動力源分為兩部分。其一是采樣時的動力，采樣采用重力作為動力源，采樣器在重力的作用下沖擊海底，靠沖擊力將海底的軟泥和油氣等灌入采樣管;其二是封裝時的動力，封裝是采用海水等靜壓作為動力，其實現(xiàn)形式如圖2所示，采樣器工作在海底300-500米的深處，海水的壓力高達(dá)3-5Mpa，海水將液壓油高度壓縮，利用壓縮的液壓油驅(qū)動油缸完成封裝的動作。

1.2 采樣系統(tǒng)的控制

圖1說明了系統(tǒng)采樣保真的工作過程，每一個環(huán)節(jié)的銜接都是有控制系統(tǒng)來完成

的，由于工作環(huán)境的特殊性，控制系統(tǒng)采用純機械控制的方式。

1.2.1 采樣控制

采樣系統(tǒng)下水后在牽引繩的作用下以一定初速度下沉，當(dāng)圖3所示的觸發(fā)塊的觸發(fā)塊碰到海底時，觸發(fā)杠桿松動觸發(fā)支架和 杠桿之間的采樣器連接線的線頭，采樣器連接線在重力作用下自由下垂，系統(tǒng)做自由落體運動，系統(tǒng)在重力作用下沖擊海底，將海底沉積物灌入采樣器的采樣倉中。

1.2.2 封口保真的控制

在重力作用下采樣器撞擊海底進(jìn)行采樣，采樣完成后需要對所采的樣品進(jìn)行封存，以確保樣品保持海底的狀態(tài)。此時拉繩向上運動，觸發(fā)圓柱首先觸發(fā)封閉油缸的液壓閥，完成采樣器的封閉，繼續(xù)向上運動觸發(fā)轉(zhuǎn)移油缸的閥門，完成油缸的轉(zhuǎn)移，最后觸發(fā)封口油缸，完成整個采樣器的封口保真，繼續(xù)上移即可將采樣器提出水面，完成一次采樣和保真。其控制圖如圖4所示。

2 采樣系統(tǒng)采樣過程的動態(tài)分析

采樣時將采樣系統(tǒng)放入海水中，如圖3當(dāng)觸發(fā)塊觸到海底時，觸發(fā)杠桿松動采樣器與觸發(fā)支架的連接線，采樣器在海水中做自由落體運動。采樣器自由落體時所受運動特性影響到采樣器撞擊海底時的速度，進(jìn)而影響到灌入量，研究采樣器在海水中自由落體時的動態(tài)特性是采樣器設(shè)計時的首要內(nèi)容。這一動態(tài)特性主要包括自由落體時的速度、所受阻力等因素，以及對這些因素的影響條件等。

2.1 采樣過程中動態(tài)理論分析

根據(jù)能量守恒定律，采樣器自由落體時的能量和采樣器撞擊海底采樣時的能量相等，如式1所示:左邊第一項為觸發(fā)時系統(tǒng)的初速度形成的動能，第二項為自由落體的高度形成的勢能;右邊第一項為采樣器以拋落初速度V₀撞擊海底時的初動能，其余兩項為在自由落體中所消耗的能量。

12mv20+mgh=12mv2b+12ρu2∞A2CD#8226;h+f浮#8226;h(1)

式中:m——采樣器的質(zhì)量;

V₀——采樣器自由落體時的初速度;

h——自由落體的高度;

vb——撞擊海底時的速度;

u∞——均勻海水來流的勢流速度;

ρ——海水的密度;

A——采樣器迎流截面投影面積;

CD——采樣器的阻力系數(shù);

f浮——水的浮力。

不同的海底特性，需要不同的撞擊速度vb來完成采樣，由式1可得出采樣器撞擊海底的速度vb如式2:

vb=2(12mv20+mgh-12ρu2∞A2CD#8226;h-f浮#8226;h)/m(2)

式2說明撞擊海底的速度vb和初速度V₀，自由落體高度h，海水的密度ρ，采樣器的截面積A等因素有關(guān)，在采樣器的設(shè)計過程中ρ和V₀可以看成是常數(shù)，在采樣器制作好之后，一般通過改變h的大小獲得不同vb，適應(yīng)不同海底狀況的采樣要求。

2.2 采樣器采樣過程的仿真

采樣器的工作受各種因素的制約，例如海水的環(huán)境因素、自由落體的高度、采樣器的質(zhì)量和攻角等，為得到這些因素對采樣過程的影響，利用FLUENT軟件采用數(shù)值模擬的方法對其進(jìn)行研究。數(shù)值模擬的條件如表1所示，數(shù)值模擬過程中主要考慮采樣觸發(fā)后采樣器自由落體的高度與下落速度和阻力的關(guān)系，采樣器質(zhì)量與下落速度的關(guān)系，以及采樣器攻角與采樣阻力的關(guān)系。

2.2.1 自由落體高度與下落速度v關(guān)系的數(shù)值模擬

按表1的條件進(jìn)行數(shù)值模擬可得到自由落體的高度和下落速度的關(guān)系，為方便仿真計算，將自由落體的高度h進(jìn)行離散，圖5為各離散高度下的速度值，然后將這些數(shù)值利用最小二乘法擬合成高度 h和速度v關(guān)系的多項式如式3，從而得出在任意高度下所得到的速度。

v(x)=-6.033+8.788x-1.809x2+0.1315x3(3)

圖5a顯示在自由落體的初期，速度增加很快，但速度的增加導(dǎo)致阻力增加，采樣器下落的加速度不斷減小，速度增加減慢，當(dāng)采樣器的重力和阻力平衡時，自由下落的速度將保持恒定值。采樣器下落過程中所受阻力與下落高度的關(guān)系如圖5b所示。當(dāng)下落高度達(dá)到一定值時阻力趨于恒定值。

2.2.2 采樣器質(zhì)量與下降速度的關(guān)系

在不受阻力的情況下，自由落體的質(zhì)量和速度沒有關(guān)系，采樣器在工作中受到各種阻力的影響，因此質(zhì)量影響到下落的速度的大小，同一質(zhì)量的采樣器在不同高度上的下落速度是不同的，為比較不同的質(zhì)量對下落速度的影響，模擬自由落體到10米時的速度作為比較的基準(zhǔn)速度。其影響關(guān)系如圖7所示，隨著質(zhì)量的增加下落10米處的速度不斷增加，當(dāng)質(zhì)量增加300Kg左右時，速度趨于一穩(wěn)定值。

2.2.3 攻角與阻力的關(guān)系

攻角α是采樣器撞擊海底時刀頭軸線與海底平面法線的夾角，撞擊時海底對采樣器產(chǎn)生的阻力和攻角的大小有關(guān)，攻角的形成是由于采樣器的中心不在刀頭軸線上所致。攻角影響采樣器的工作主要表現(xiàn)在增加了采樣器撞擊海底的阻力，阻力與攻角的關(guān)系如圖6b所示，隨著攻角的增加，阻力不斷增加，當(dāng)攻角小于5°時阻力增加不是很明顯。因此采樣器的攻角宜設(shè)計成小于5°。

3 結(jié)論

1)利用深海等靜壓原理實現(xiàn)海底采樣器的保真，通過采樣出發(fā)裝置實現(xiàn)采樣器的自由落體，以獲得采樣時所需的撞擊速度，采樣后在取樣的過程中觸發(fā)封口裝置，由深海壓力驅(qū)動完成采樣器的封口保真。

2)采樣器觸發(fā)后隨著下落位移的增加所獲得的撞擊海底時的速度不斷增加，同時下落時所受阻力也不斷增加，從而下降的加速度不斷減小，最終使速度趨于以穩(wěn)定值。質(zhì)量對速度的影響表現(xiàn)在質(zhì)量和阻力的關(guān)系上，當(dāng)質(zhì)量達(dá)到300Kg時，速度趨于穩(wěn)定值。

3)攻角影響到采樣時的阻力，隨著攻角的增加阻力不斷增加，但當(dāng)攻角小于5°時阻力增加不是很明顯。因此采樣器的攻角要設(shè)

計成小于5°。

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