全海深宏生物采样器回收过程样品温度仿真分析

王文广，刘德顺，金永平，刘广平

（湖南科技大学海洋矿产资源探采装备与安全技术国家地方联合工程实验室，湘潭 411201）

关键字 全海深宏生物采样器；样品温度；回收过程；有限元分析

0 引 言

随着世界人口剧增、环境恶化，陆地资源日益减少，因此人类对海洋生物资源的关注越来越重视。由于海洋生态环境的广域性、复杂性和特殊性，所以海洋生物无论在数量上还是种类上都远远超过陆生生物，而且其物种生态特性及其中间联系也远比陆生生物复杂而广泛。据不完全统计，世界海洋较低等的生物就达20多万种，其中就包括大量的深海宏生物，由于深海宏生物长期处于极端环境，其生理结构和活动特征非常独特，所以在生命科学研究、工业生产和基因资源开发等领域均有着不可估量的应用前景。为了获得活性的深海宏生物样品，就需要在回收过程中控制并维持采样器中样品的原位生活环境，所以开展全海深宏生物采样器温度特性的分析与控制研究就成为该领域的热门课题之一。Kullenberg、Zangger和McCave等对采样器密封舱温度分布进行了计算［1-2］；Kristoffersen、Lunne和Long等重点研究了保真采样技术，设计了不同的保真采样器［3-4］；刘国营和沈国泉等对采样器进行了保温方案设计和保温性能的数值模拟［5-6］。这些研究工作主要集中于采样器的温度分布和保温结构设计，没有聚焦于宏生物样品在回收过程中的温度变化，这正是本文研究的出发点。

1 全海深宏生物采样器结构原理及其回收过程

全海深宏生物采样器首先通过搭载潜水器等方式到达指定海域和取样深度。当到达海域取样深度时，利用潜水器上的机械手打开诱捕装置，释放诱饵；等待一定时长后，再次利用机械手拔掉翻板阀上的顶针，翻板阀在弹簧的作用下，对全海深宏生物采样器进行密封；最后，全海深宏生物采样器随着潜水器一起上浮至海面，并将其打捞到甲板上进行一系列的拆装和样品转移。

全海深宏生物采样器的三维结构如图1所示。全海深宏生物采样器主要由压力补偿装置、保压筒、翻版密封机构、诱捕装置、可移动止反装置、各种阀和连接管等装置构成。

在全海深宏生物采样器中，压力补偿装置主要由耐压筒、活塞、端盖和氮气构成，通过连接管与保压筒连接，用于全海深宏生物采样器在回收过程中对保压筒进行压力补偿，以维持宏生物样品的原位压力状态；翻板密封机构包括翻板体和翻板盖，翻板体与保压筒之间通过螺钉密封连接，翻板盖通过弹簧与翻板体的阀孔进行铰接连接，其作用是在全海深宏生物采样器回收时保证样品的独立性，可以有效防止在回收过程中其他生物和海水对原位样品产生污染；诱捕装置由耐压筒、弹簧、活塞和诱饵构成，通过连接管与保压筒连接，在海水的压力下，推动活塞移动，使得诱饵进入保压筒内，用来吸引深海宏生物；可移动止反装置包括可移动止反底圈、滑杆和摇杆，通过摇杆带动可移动止反底圈在滑杆上进行滑动，在转移样品时可以将宏生物推入培养釜。

2 全海深宏生物采样器回收过程样品温度场建模与分析

2.1 环境温度

全海深宏生物采样器主要面向全海深范围，要求对整个海域实现全覆盖。目前，人类所知最深的海底是马里亚纳海沟的斐查兹海渊，最深为11 034 m，故全海深宏生物采样器回收过程模拟仿真中的最大深度设为11 100 m。

由于日光在海洋中的穿透能力很弱，所以日光在进入海水后，其强度会迅速衰减。从海水的深度与温度的关系上可将海水分为三层结构：上层为混合层，此层的温度是均匀变化的；中间层为温跃层，此层温度急剧下降；最下面一层位于温跃层之下，海水的温度较平稳地下降。一般来说，海水深度每下降1 000 m，海水温度就会下降1～2℃；在水深3 500～11 100 m处，海水温度只有2℃左右。同样，甲板上的温度也会随着时间的变化而变化，早上和晚上甲板温度为30℃，中午甲板温度为50℃。如表1所示，海水温度还呈现季节性变化。

表1 环境温度［9］Tab.1 Environmental temperature in the South China Sea

（续表）

为了保证全海深宏生物采样器能够在最严酷的环境下工作，本文采用如图3所示的环境温度模型。

图2 环境温度与取样深度关系图Fig.2 Ambient temperature versus sampling depth

2.2 回收历时

全海深宏生物采样器在回收过程中，会经历不同的环境温度，在不同环境下经历的时间取决于它的回收速度。全海深宏生物采样器一般有3种回收方式：第一种是搭载式，通过搭载在深潜器上进行回收，比如奋斗者号；第二种为自浮式回收，是通过采样器携带浮力比较大的材料来实现回收的；第三种是通过缆绳和绞车进行回收的。所以全海深宏生物采样器在海水中的回收速度一般为50～200 m/min。当取样深度一定时，根据不同的回收速度，可以很容易计算获得全海深宏生物采样器在不同海水环境温度下所经历的时间。本文取回收速度为50 m/min、100 m/min、150 m/min和200 m/min进行分析，如表2所示。特别需要指出，回收过程一般包括海里回收和海面回收2个阶段。当采样器到达海面后，还需要对其进行包括打捞、拆卸和转移等一系列的操作，其历时为30～80 min，本文取30 min、40 min、50 min、60 min、70 min和80 min进行分析。

表2 采样器回收过程中所处的环境温度和时间Tab.2 Ambient temperature and time in sampler recovery process

2.3 样品温度场建模

本文采用有限元法，即通过ANSYS Workbench软件中的Transient Thermal模块对全海深宏生物采样器回收过程的样品温度开展仿真分析。首先通过Solidworks三维软件画出全海深宏生物采样器的简化模型，并通过Geometry将它导入Transient Thermal中；然后在Engineering Data项输入采样器构件的材料参数，并在Connections中设置各构件之间的关联度；最后通过Mesh来划分网格，样品的网格尺寸设为0.005 m，其他都为0.008 m；全海深宏生物采样器简化模型的有限元网格如图3所示。根据各种环境温度、介质热性能、历时，设置时间步长，就可以求解出采样器回收过程中宏生物样品活动空间温度分布，如图4所示。

图3 全海深宏生物采样器有限元网格模型Fig.3 Finite element grid model of whole deep-sea macro biosampler

图4 宏生物样品活动空间温度云图Fig.4 Cloud map of active space temperature of macro biosample

由于全海深宏生物采样器在海水中工作的时间较长，所以采样器在回收前的整体温度可以设定为海水温度，即在回收过程中其起始温度可以整体设定为2℃。根据一般宏生物的特性，当水环境温度升高时，宏生物会游向温度低的区域，考虑到样品活动空间的温度分布对称性，本文取采样器中心位置温度作为样品温度进行分析讨论。

3 不同因素对全海深宏生物采样器样品温度影响的分析

3.1 采样装置因素对全海深宏生物采样器样品温度的影响

全海深宏生物采样器温度特性既与构件材料有关，如不同材料的导热系数和对流系数等，也与构件的几何尺寸，如采样器容积大小，特别是与它的保压筒壁厚有关，但是因为保压筒内径不变，所以保压筒壁厚是由保压筒的外径决定的。选择采样器材料不但对其热力学性能有要求，而且还需要考虑材料的耐压强度和耐海水腐蚀的性能，表3列举了几种全海深装备中常用的金属材料以及它们的物理性能参数。回收速度为50 m/min，甲板上的转移时间为80 min，保压筒外径如图3所示，3种材料的采样器回收过程样品温度仿真计算结果如图5所示。

表3 20℃下全海深装备中常用金属材料的物理特性参数Tab.3 Physical characteristic parameters of commonly used metal materials in deep-sea equipment

由图5可知，选择不同材料的全海深宏生物采样器，样品到达海面还是转移后的温度都是不同的。40Cr合金钢相对其他两种材质，样品到达海面和转移后的温度是最高的；TC4钛合金相对于其他两种材质，样品到达海面和转移后的温度是最低的。但是，当材质从40Cr合金钢变成TC4钛合金时，样品到达海面的温度下降了0.5℃左右，转移后，样品的温度下降了0.9℃左右。

图5 样品温度和采样器材质的关系Fig.5 Sample temperature versus the material of sampler

从图3可知，采样器内径的中心线与外径的中心线存在偏移，但是由于内部需要流出足够的空间给宏生物，所以其内径是固定的，又因为保压筒的壁厚就是外径与内径的差值，所以为了研究不同采样器保压筒壁厚对样品温度的具体影响，须改变保压筒的外径。以图3所示的尺寸为基础，然后增加保压筒的外径，所加半径值分别为5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm和30 mm，并对其有限元网格模型做出相应变更。材料采用TC4钛合金，海水中回收速度为50 m/min，样品转移操作时间为80 min，仿真分析结果如图6所示。从图可见，样品温度无论是到达海面还是转移后，都随着壁厚的增加而减小。当保压筒外径的半径值增加30 mm后，样品到达海面的温度下降了1.2℃左右，样品转移后的温度下降了4℃左右。

图6 所加壁厚和样品温度的关系Fig.6 Added wall thickness versus sample temperature

综上所述，合理选择全海深宏生物采样器材料和尺寸，对于采样器回收过程样品温度控制具有一定的作用。但是，全海深宏生物采样器设计不仅受到其制造成本的约束，特别是受到整体重量的严格限制。比如，搭载于某潜水器的全海深宏生物采样器，要求其整体重量不能超过80 kg，因此依靠增加壁厚来实现样品温度控制是非常有限的。例如，以TC4钛合金为例，经过计算，最多可以在原有的基础上添加15 mm的壁厚［11］，降低样品温度升高2℃左右。正是采样器重量限制，主动温度控制方法一般不能适应。所以，为了保证宏生物活性，保持采样器宏生物活动环境的温度，全海深宏生物采样器必须采用保温涂层，既不明显增加采样器重量，又能够高效阻止环境温度向样品活动区域扩散。

3.2 回收操作因素对全海深宏生物采样器样品温度的影响

全海深宏生物采样器样品温度变化遵循热交换规律，样品温度与环境温度相差越小，温度变化就越小；在高温环境中历时越短，温度升高就越小。在实践中，从全海深取样到科考船转移过程，是一个环境温度升高和样品温度升高的过程。全海深宏生物采样器回收操作包括从采样点回收到海面、从海面打捞到拆卸和转移2个步骤。

选取全海深宏生物采样器海水中回收速度为50 m/min、100 m/min、150 m/min和200 m/min进行仿真分析。全海深宏生物采样器的材质为TC4钛合金，转移操作时间为80 min。有限元仿真分析结果如图7所示，不同的回收方式即不同的回收速度，样品到达海面的温度是不同的，当回收速度从50 m/min变成200 m/min时，样品到达海面的温度下降了2℃左右。

图7 样品温度和回收速度的关系Fig.7 Sample temperature versus recovery speed

当全海深宏生物采样器到达海面后，还需要进行打捞、拆卸和转移等一系列的操作，本文分别选取30 min、40 min、50 min、60 min、70 min和80 min进行仿真分析。海水中回收速度为50m/min，其仿真分析结果如图8所示。从图8可知，转移操作时间越短，样品温度升高就越小，当转移操作时间从80 min变成30 min时，样品温度会下降17℃左右。

图8 样品温度和转移操作时间的关系Fig.8 Sample temperature versus transfer operation time

综上所述，由于全海深海底温度较低，全海深宏生物采样器在回收操作过程中对样品温度有着明显影响。加快回收操作速度，缩短回收操作时间，有利于采样器样品温度控制；特别地，因为海面温度远高于海水温度，尽量缩短回收样品转移时间，减少采样器暴露于高温空气中，是控制采样器样品温度升高的更为有效的方法。因为海水中回收速度从50 m/min变成200 m/min，提高了3倍，温升仅仅下降了0.5℃，而样品转移操作时间从80 min变成30 min，缩短到近1/3，温升即降低17℃左右。在全海深宏生物采样器回收操作实践中，可以先将采样器迅速回收到低温容器中，然后再在低温环境下，对全海深宏生物采样器进行拆卸和样品转移，以便尽量减少采样器暴露于高温空气中、甲板上的时间，控制采样器中宏生物活动环境温度。

4 结 语

本文分析了全海深宏生物采样器结构原理及其回收过程，应用ANSYS Workbench软件，开展了全海深宏生物采样器回收过程样品温度有限元仿真分析。仿真分析结果表明，由于全海深海底温度较低，全海深宏生物采样器回收过程伴随着样品温度持续升高，样品温度变化受到回收操作、采样器材料和壁厚等因素影响。对于自身重量受到严格限制的搭载式全海深宏生物采样器，为了保持采样器宏生物活动环境的温度稳定，必须在全海深宏生物采样器外表面采用高效保温涂层，并且采取措施、加快回收操作中样品转移速度，缩短其暴露于高温空气中的时间。