（工程热物理专业论文）基于ansys和fluent的海底沉积物原位保真采样系统性能分析.pdf

基于a n s y s 和f l u e n t 的海底沉积物原位保真 采样系统性能分析 摘要 海底沉积物采样是海洋环境与资源调查的基本手段之一，采样的可靠性在很 大程度上依赖于采集样品的保真度，这对海底采样设备提出了很高的性能要求。 针对目前国内外海底沉积物采样器存在的不足之处，本文提出了一种海底沉积物 原位保真采样系统的设计方案，并利用a n s y s 和f l u e n t 工程分析软件，对采样 系统的贯入采样特性、海流冲刷作用下保温保压性能和水动力性能进行了深入研 究，获得了一系列海底沉积物采样系统的优化设计参数，对高性能海底沉积物保 真采样系统的设计具有重要的参考价值。本文的具体研究内容如下： 1 基于对海底沉积物工程地质特性的了解，依据球形孔扩张理沦，建立了 采样器贯入采样力学模型，分析了采样过程中影响采集样品状态的因素，推导了 采样器贯入深度及阻力计算公式，为高保真采样系统设计提供了理论依据。 2 依据能量皆匾和瞬态换热理论，采用a n s y s l 0 0 软件，构建了采样器保 真装置保温效果的有限元模型，并进行了温度场的数值计算，揭示了采样器保真 机构和样品的温度分布情况，据此得出了三种能满足保温指标的样品筒保温方 法；在仿真和实验分析保温效果影响因素的基础上，优化分析了样品筒保温层的 相关参数，给出了满足设计指标的保温层厚度和导热系数的取值范围，为保温装 置设计提供了依据。 3 根据流体动力学理论，采用有限体积法求解流体的不可压缩雷诺平均方 程( r a n s ) ，通过f l u e n t6 2 软件对采样器的自由下落过程和采样贯入过程的动 力性能进行了非稳态数值模拟，对影响采样器数值计算结果的因素，如湍流模型 和网格大小等，进行了深入分析，并将分析结果与相应实验数据进行了比较，旨 在考虑不同模型下计算结果之i 日j 的差异，还采用五种不同的网格大小尺寸对每种 模型行了对比分析，比较了近壁面网格尺寸大小对计算结果的影响，最后给出了 适合采样器的湍流模型和网格尺寸大小。分别针对采样器在不同抛落速度、不同 攻角、不同采样地质状态三种情况下的粘性流场分布和阻力性能进行了数值计算 研究，得出了采样器的压力、速度分靠以及升、阻力系数曲线，所得计算结果与 理论公式和经验公式相比较，结果表明仿真结果与实际吻合，在采样器的水动力 性能研究方面具有很高的参考价值。 关键词：海底采样器；保真；沉积物；a n s y $ ；f l u e n t p e r f o r m a n c ea n aiy siso nt h es e a b e ds e d im e n tf id eiit y s a m p ie rb a s e do na n s y sa n df l u e n t a b s t r a c t t h es e a b e ds e d i m e n ts a m p l ei so n eo ft h eb a s i cm e a n s t ot h em a r i n ee n v i r o n m e n t a n dr e s o u r c ei n v e s t i g a t i o n ，s a m p l i n gr e l i a b l el a r g e l yl i e so i lt h ef i d e l i t yo fg r a b b e d s a m p l e ，a n dh i g hp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sf o rs e a b e d s a m p l i n ge q u i p m e n ta r e p r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h es h o r t a g e so fs e a b e ds e d i m e n ts a m p l e rh o m ea n da b r o a d ， t h ed e s i g no fan e ws e a b e ds e d i m e n tf i d e l i t ys a m p l e ri s p u tf o r w a r d ，t h ei n j e c t i o n s a m p l ep e r f o r m a n c e ，t h e r m a li n s u l a t i o na n dp r e s s u r i z ep e r f o r m a n c ew i t hf l u s h i n g i n d u c e db yo c e a nc u r r e n ta n dh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ea r ef u r t h e rr e s e a r c h e db y a n s y sa n df l u e n t , as e r i e s o fp a r a m e t e r so p t i m i z e df o r d e s i g n o fs e a b e d s e d i m e n ts a m p l e ra r eo b t a i n e d ，w h i c ha r eo fi m p o r t a n c ef o rt e c h n i c i a n st oh i g h e r s e a b e ds e d i m e n tf i d e l i t ys a m p l e r sd e s i g n n ec o n t e n t sa r e a sf o l l o w s ： 1 b a s e do nh a v i n gs o m ei d e a so ns e a b e ds e d i m e n t e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l p r o p e r t i e s , a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fe x p a n s i o no fs p h e r i c a lc a v i t i e s ，t h em e c h a n i c a l m o d e ld u r i n gi n j e c t i n gs a m p l ep r o c e s si se s t a b l i s h e d ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h e s t a t u so ft h es a m p l e sd u r i n gi n j e c t i n gs a m p l ep r o c e s sa r ea n a l y z e d ，t h e d e p t ha n dt h e d r a gc o m p u t i n gf o r m u l a sd u r i n gi n j e c t i n gs a m p l ep r o c e s sa r ed e r i v e d ，w h i c hl a yt h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf b rh i 9 1 lf i d e l i t ys a m p l e r sd e s i g n 2 a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h ec o n v e r s a t i o no fe n e r g ya n dt h et r a n s i e n th e a t t r a n s f e r , t h et e m p e r a t u r ef i e l do ff i n i t ee l e m e n tm o d e lo ff i d e l i t ys t r u c t u r ed u r i n g s a m p l e r sr e c o v e r yi sd e v e l o p e da n dn u m e r i c a l l yc a l c u l a t e d ，t h et e m p e r a t u r ef i e l do f s a m p l e r sf i d e l i t ys t r u c t u r ea n ds a m p l ea r es h o w n ，t h r e et h e r m a li n s u l a t i o nm e t h o d so f t h es a m p l et u b ea r ea c q u i r e d ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h e r m a li n s u l a t i o nd i s t r i b u t i o n a r ea n a l y z e d ，b a s e do ns i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t s ，t h er e l a t i v ec o e f f i c i e n t so ft h e t h e r m a ll a y e ro ft h es a m p l et u b ea r eo p t i m i z e d ，t h ev a l u es c o p eo ft h et h e r m a ll a y e r t h i c k n e s st h e r m a lc o e f f i c i e n to fh e a tc o n d u c t i v i t ys a t i s f i e dw i t hd e s i g nc r i t e r i a i s p r e s e n t e d ，w h i c ha f f o r dt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e r m a li n s u l a t i n gd e v i c e 3 i nt e r m so ff l u i dd y n a m i ct h e o r y , t h e r e y n o l d sa v e r a g en a v i e r - s t o k e s e q u a t i o n so fi n c o m p r e s s i b l ef l u i da r es o l v e d b y f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，t h e h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ed u r i n gt h ef r e ef a l l i n gp r o c e s sa n di n j e c t i o ns a m p l i n g p r o c e s sa r en u m e r i c a l l yc a l c u l a t e dw i t hf l u e n t6 2 ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h e n u m e r i c a lr e s u l t ss u c ha st u r b u l e n c em o d e la n dm e s hs i z e e ta la r ea n a l y z e d c o m p a r e dw i t hr e l a t i v ee x p e r i m e n t sa n dd a t a , t h ed i f f e r e n c e + a m o n gt h en u m e r i c a l r e s u l t so ft h ev a r i o u sm o d e l si sg o t ，f i v ed i f f e r e n tm e s hs i z e sa p p l i e di ne a c hm o d e l a r ea n a l y z e d ，i n f l u e n c i n g o nt h en u m e r i c a lr e s u l t sa d o p t e dd i f f e r e n tw a l lm e s hs i z ei s c o m p a r e d ，t h et u r b u l e n c em o d e la n dm e s hs i z es u i t a b l ef o rs a m p l e ra r eg i v e nf i n a l l y o nc o n d i t i o nt h a tt h es a m p l e ri si nad i f f e r e n tv e l o c i t y , ad i f f e r e n td i v i n ga n g l ea t t a c k a n dad i f f e r e n t g e o l o g i c a ls t a t e ，t h ev i s c o u sf l u i d f i e l dd i s t r i b u t i o na n dd r a g p e r f o r m a n c eo ft h es a m p l e ra r er e s e a r c h e d ，t h ep r e s s u r ea n dv e l o c i t yf i e l dd i s t r i b u t i o n a n dl i f ta n dd r a gc o e f f i c i e n t sa l eo b t a i n e d ，c o m p a r e dw i t ht h e o r e t i c a lf o r m u l aa n d e m p i r i c a le q u a t i o n s ，t h en u m e r i c a lr e s u l t sa r ea p p r o x i m a t e l yi na c c o r d a n c ew i t ht h e p r a c t i c a lc a s e s ，a n dt h er e s e a r c ho nh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es a m p l e rh a sa h i g l la p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：s e a b e ds a m p i e r ，f i d e ii t y ，s e d i m e n t ，a n s y s ，f l u e n t 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者硌面f f 司甍签字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：玉7 闺t 色 导师签 签字日期：扣勺f 年l 月9 日 签字同 扩日 基于a n s y s 和f l u e n t 的海底沉积物原位保真采样系统性能分析 1 绪论 1 1 课题背景与研究意义 海底沉积物分布于整个大洋底部，其中大陆架上的沉积物数量大，种类多。 海底沉积物可分为：机械的、化学的和生物的三种类型。海底沉积物主要是由河 流、风等带入海洋的碎屑物质，其次是生物遗体、微生物分解物质等有机质成分。 此外，沉积物中还有少量的由火山喷发堕入海中的火山灰，以及来自宇宙空间的 陨石和宇宙尘粒等。 我国是一个海洋大国，拥有一万八千公里长的海岸线，海疆面积大。而海洋 区域地质调查是人类进行认识海洋、开发海洋和保护海洋的基础，它是一个国家 海洋地质工作程度和海洋科技发展水平的直接反映。通过海洋区域地质调查，可 摸清海底矿产的类型及分布状况，并对海底资源( 如油气资源、固体矿产资源等) 的前景给予评价n ，。 通过传统采样方式采集的沉积物样品因压力、光照等外部条件的变化，造成 其物理化学性质的变化，基于其获得的分析数据难以准确地反映沉积物原始成分 与状态。然而，保真采样不但能为海洋资源环境研究提供最真实的样本，还能通 过研究海底生物发现大自然新的特性，因此，地质学家、地球物理学家和海洋科 学家对其广为关注，发展海底保真采样技术和研制新型勘探设备在海洋学界的呼 声越来越高。 考虑海底沉积物本身特殊的物化性质，以及我国对海底沉积物勘探和开发的 重视，能够准确迅速、保质保量的采集海底沉积物并进行分类和实验研究具有重 要的军事及民用意义：军用上，海底各类沉积层介质的声参量研究与浅海声场数 值预报、匹配场定位、低频远程海底反射声纳作用距离预报、潜艇沉底隐蔽地点 选择等方面的研究密切相关；海洋工程应用领域内，修筑大型港口，建设跨海大 桥等海上建筑以及海底管线布设规划都需预知海底沉积物类型；海洋油气资源勘 探领域内，通过对采集沉积物的分析，可以获得海底石油天然气资源储量、分布 规律和油气地质条件，从而提高了开采海底矿物及油、气的效率；在生命科学研 究和气候变迁史方面，通过对采集样品进行d n a 实验室分析研究，对海底微生物 等生命体的习性和地球历史上气候的变化规律均有重要的实际应用价值口钔。 在实验室利用保真反应器，可以快速分析海底地质和化学环境，来达到加速 反应和准确分析。但研究结论的可靠性很大程度上依赖于海底沉积物样品的原位 保真程度，这就对海底沉积物采样设备的结构设计、保温保压性能、采样器贯入 采样特性及水动力特性等方面从理论和实际应用上均提出了很高的要求。 由此可见，对海底沉积物采样器进行性能分析和采样技术研究不仅具有重要 的军事和民用价值，还具有重要的科学意义和研究价值。因此，本文提出一套适 基于a n s y s 和f l u e n t 的海底沉积物原位保真采样系统性能分析 合于我国国情的新型海底沉积物保真采样系统，对其结构方案设计、贯入采样特 性、保温保压和水动力性能等方面进行研究，为我国海底保真采样系统的研制提 供理论基础和实际工程参考依据。 1 2 海底沉积物采样器的研究现状及存在问题 1 2 1 海底沉积物采样器国内外的研究现状 k u l l e n b e r g 瞄1 研究了活塞式柱状沉积物在海水中的速度与诸因素的关系，推 导出了采样器在海水中自由下落的末速度方程，给出了不同参数的重力活塞采样 器的自由下落高度与自由下落速度的关系曲线。 m u r r a yc n 等1 设计了一款能保持样品压力的活塞沉积物采样器，采集沉积 物样品用来做放射性核素迁移和重金属含量方面的研究。 z a n g g e re 等n 3 对k a s t e n 沉积物采样器进行了重新设计和改造，进一步提高 了海底沉积物采样率。 j o n e sb 等蹲1 设计了一款快速、廉价、有自控功能的沉积物采样系统，在采 样器自动化和机械化方面取得了新进展。 y n g v ek r i s t o f f e r s e n 等3 设计了一款静压沉积物采样器s e l c o r e ，以海水静 压作为动力源，按照重力采样的方式贯入沉积物中，并自动转换成5 2 周期的桩 机模式，与同重量的重力采样器相比，该采样器在贯入深度和采样回收率性能上 是其2 倍以上。 b o y l ejf n 叩针对可压缩大直径重力沉积物采样器的样品密封结构进行了研 究，给出了简单的样品密封结构设计方案。 t e m d o u n gs o m s i f i l 等n 妇设计了一款新的、简单的沉积物采样器，用来采集 池塘中的5 1 0 c m 淤泥层进行细菌分析，该采样器首次采用了p v c 管作为样品管， 建造成本低，采样效果好。 荷兰b e e k e r 型采样器n 2 3 是一套非破坏性沉积物采样设备。沉积物样品被收 集到一个透明的采样管中，因此它可以保持样品的原始位置和清晰的剖面分层情 况。 美国的保压取样装置i 型n 3 1 在布莱克海底高原d s d p 5 0 3 站位进行了现场试 验，从而标志了该装置作为先进的海底探测设备开始进入实际应用阶段。 日本海洋科技中心的s h i n k a l 6 5 0 0 h 钉沉积物保压采样器，在6 2 9 2 m 深度、 压力6 5 m p a 、温度2 c 下采集样品，并在6 5 m p a 、1 0 环境下增加5 0 0 m l 液体进 行d n a 方面的研究并取得了预想的效果。 n a s a n 鄙对沉积物采样器及其联接装置的进展给予高度关注，并认为高性能 的保真保压采样器还有可能在未来的外星生命探测中发挥重要作用。 南海海洋所新研制的新型单管沉积物采样器n 叼试验成功，该仪器具有结构简 单、采样多少可调、采集的沉积物界面无扰动以及成本低等特点，是我国完全具 2 基于a n s y s 和f l u e n t 的海底沉积物原位保真采样系统性能分析 有自主知识产权的新型沉积物采样器，可广泛用于海洋环境、生态等方面的研究。 崔汝勇等n 7 1 参与了采样器a l v i n 搭载“大洋一号”科考船去太平洋中脊采样作 业。此外，海水海底沉积物采集器也搭载此次航行并成功取得了沉积物样品。 徐学仁等n 町提出了锚式采泥器，较之于抓斗式采泥器在性能和采样率方面都 有了新进步，其操作简便，不受风浪、海流等影响，对于软硬沉积层均使用，但 取样深度偏小。 程振波等n 们参与了法国“阿塔朗特号海洋调查船的重力取样管在我国东海 进行的采集沉积物作业，成功采集到ll m 左右的样品，其在性能和安全性上都 位列世界先进采样设备行列。 张君元等1 对重力活塞采样器海上采样技术进行了理论和实践研究，指出了 贯入深度与采样器的重量、形状、在海水中的自由下落速度和在不同类型沉积物 中所受阻力等因素有关。 臧启运等乜妇认为现代海洋沉积物柱状采样技术是一套综合性的高新技术系 统，但我国和先进国家相比，采样设备差距明显，应该成为我国今后采样技术的 研究和发展重点。 顾临怡，杨灿军等啪仲3 仲4 1 嘲设计了一种海底沉积物采样器，对采 样器的总体结构、工作原理和关键部件与技术进行了介绍，从理论和实际加工对 采样器进行了系统研究，主要包括：基于有限元分析的样品筒保温方案；样品筒 的结构优化设计；接触取样的非扰动研究；采样过程的保真研究；样品半主动保 压理论分析；保真触发原理研究；保真机构的设计准则研究等方面。 刘贵杰啪3 设计的海底沉积物保真采样系统，该采样系统采用了液压驱动的样 品管原位平移及密封驱动装置，自动化程度高，可靠性好；另外，采样过程中样 品管平移及密封过程都在原位完成，并且样品管采用两层p p r 管中间夹保温层 的三层结构，可以实现真正意义上的原位保真采样。 1 2 2 存在问题小结 出现较早的沉积物采样器如箱式采样器一般用来采集海底表层沉积物，采集 样品用来进行鉴别试验，但在采样时对样品产生很大扰动，破坏了样品结构j 不 能真正地代表海底原位沉积物。 管状采样器，特别是长径比较大的重力采样器在采样过程中会出现“桩效应 现象、“流入( f l o w 。i n ) ”和“活塞振荡等问题，不能实现保压采样。 对采样器贯入特性机理还需做进一步的研究。 采样作业过程中海水的压力和温度都会随着下潜深度发生变化，采样器保真 机构与海水的对流换热越来越不容忽视，特别是对流换热边界条件，由于其变化 规律复杂，对其量化研究还有很大困难。 采样器的水动力性能会影响采样的成功，但这方面的研究还基本停留在势流 3 基于a n s y s 和f l u e n t 的海底沉积物原位保真采样系统性能分析 理论研究上。 综上所述，海底沉积物保真采样是一个系统工程，包括采样器组装、下水、 与沉积物接触取样、样品进入样品筒保温保压、采样器提升过程补压、提升到船 上与后续实验设备的连接、现场测定相关参数、船上实验室保存、岸上实验室分 析等一系列过程，对海底采样器性能的研究还有许多工作需要做进一步深入研 究。对海底沉积物保真采样器的研究主要有： 研究海底采样器的结构参数优化问题； 研究海底采样器的贯入特性机理问题； 研究考虑海底采样器的运动、动力参数变化等非线性因素的影响。 1 3 主要研究内容 采样过程中，海水温度和压力随深度的变化而变化，贯入采样过程中样品的 状态变化，这都将涉及到复杂的对流换热的能量转换问题，又涉及到复杂的水动 力固流耦合问题。因此，如果我们能做到对样品原位取样时低扰动、整个采样过 程中样品保温保压和水动力性能稳定，那么上述问题就不复存在了。传统的分析 方式很难达到研究目的，因此本文采用有限元软件a n s y s 和流体仿真分析软件 f l u e n t 对其进行分析研究。 通过上述对海底保真采样器性能研究中所遇到问题的分析，本文由如下几章 组成： 第一章，论述了海底沉积物保真采样器的课题背景与研究意义，介绍了国内 外海底沉积物采样设备的发展现状及存在问题，最后介绍了本文研究的主要内 容。 第二章，通过对海底沉积物工程地质特性的研究，了解了海底沉积物的力学、 物理特性对柱状采样的影响；阐述了重力冲击式采样器贯入沉积物特性机理和采 样过程中产生“桩效应 的机理；依据球形孔扩张理论，在沉积物状态处于不排 水条件下，建立了采样器贯入采样模型，并分析了采样器刀头连续贯入时样品管 对海底沉积物的工程地质状态产生的影响；探讨了采样器刀头关键参数设计准 则，给出了理想的刀头设计参数，从而保证了采样样品的低扰动。 第三章，介绍了海底沉积物保真采样器在海洋资源勘探和科学研究中的特 点，指出了海底保真采样是一个前沿性的复杂课题；阐述了海底沉积物保真采样 器的主要设计指标、作业环境、系统结构和工作机理，密封可靠、耐压稳定和样 品不受污染的样品筒是实现保真采样的关键。对关键部件结构和关键采样技术进 行了详细探讨，海底保真采样器样品筒的实验表明，基于前述理论和设计的保真 样品筒具有良好的样品保持能力。 第四章，依据能量守恒方程和瞬态换热相关理论，应用a n s y s l 0 0 对采样 器回收过程中保真机构有限元保温模型的温度场进行了数值计算，揭示了采样器 4 基于a n s y s 和f l u e n t 的海底沉积物原位保真采样系统性能分析 保真机构和样品的温度分布规律，分析了海底采样器因所处周围环境变化而引起 样品的温度、压力变化即失真问题，得出了三种能满足保温指标的样品筒保温方 法，分析了影响保温效果的因素。在大量仿真实验和数据的基础上，优化分析了 样品筒保温层的相关参数，得到了满足温度设计指标的保温层厚度和导热系数的 取值范围，并与实际实验相比，结果表明所建模型与实际情况吻合较好，满足工 程要求。 第五章，介绍了流体流动所遵守的流体动力学控制方程，在此基础上结合湍 流模型构成封闭方程组进而求得采样器的速度、压力分布和升、阻力系数。介绍 了基于有限体积法对流体控制方程进行离散的方法，并对计算中用到的离散格式 进行了说明。考虑到网格质量关系到计算的精度，对网格的类型、生成和划分及 s i m p l e 算法原理进行了简要说明。介绍了三种应用比较广泛的湍流模型，其中 标准k e 模型是本文所采用的模型。最后对采样器绕流仿真中用到的几种边界条 件和注意事项做了说明。 第六章，根据流体力学相关理论，采用有限体积法求解流体的不可压缩雷诺 平均方程( r a n s ) ，通过f l u e n t6 2 软件对采样器的自由下落过程和贯入采样 过程的水动力性能进行了非稳态数值模拟。对影响采样器数值计算结果的因素如 计算区域尺寸等进行了分析，给出了适合的湍流模型和计算结果，并与相关实验 数据进行了比较，旨在考虑不同模型计算结果的差异。同时，对每种模型采用了 五种不同的网格大小尺寸，比较了近壁面网格尺寸大小对计算结果的影响。对采 样器在不同抛落速度、不同攻角、不同采样地质状态三种情况下分别进行了粘性 流场分布和阻力性能数值计算，得出了采样器的压力、速度云图以及升、阻力系 数曲线。结果表明，并将计算结果与理论公式和经验公式相比较，结果表明数值 模拟在采样器水动力性能研究方面有很高的应用价值。 第七章，全文总结和展望，给出了论文的研究成果和创新点，并提出了进一 步研究的方向。 5 基于a n s y s 和f l u e n t 的海底沉积物原位保真采样系统性能分析 2 海底保真采样器贯入特性研究 2 1 海底沉积物的力学、物理性质 针对海底采样器贯入特性的分析研究，首先应从采集对象即海底沉积物工程 地质特性着手，应对海底沉积物的结构类型、物理性质和力学性质有一定的认识。 2 1 1 海底沉积物的分类 通常，按不同海水深度沉积环境将海洋沉积物分为：滨海带( 高潮线与低潮 线之间水域) 沉积物、浅海带( 低潮线- - - 2 0 0 m 深水域) 沉积物、半深海( 2 0 0 - - - 2 5 0 0 m 水域) 沉积物和深海( 水深 2 5 0 0 m 的水域) 沉积物啪1 。 ( 1 ) 滨海带沉积物。主要是分布在海滩、潮滩地带的机械碎屑，即不同粒度 的沙、砾石和生物骨骼、壳体的碎屑等。在干旱气候下的口湖中，因蒸发作用可 以形成岩盐、石膏和钾盐等化学沉积物；在潮湿气候条件下，口湖可变成滨海沼 泽，堆积大量成煤物质。 ( 2 ) 浅海带沉积物。，浅海带占海洋面积的2 5 ，但这一海域的沉积物却占海 洋全部沉积物的9 0 。浅海沉积物有3 类：碎屑沉积物主要是沙质级的，由于 波浪随海深的增加而减弱，所以碎屑沉积物的粒径一般是从浅水往深水变小。但 是因潮流、洋流，以及海底的起伏和大陆的剥蚀强度等的影响，现代的浅海带的 沉积物的粒度，并非都是近岸粗，远岸细。生物沉积主要是生物遗体形成的沙和 泥，它们成分主要为碳酸钙质。在热带、亚热带的温暖海洋中，还有以珊瑚骨骼 为主，其他生物的骨骼和壳体为辅所构成的生物礁堆积，叫珊瑚礁。化学沉积物 主要是来自大陆的铁、锰、铝、硅的氧化物和氢氧化物的胶体，与海水电解质相 遇时，絮凝成鲕状或豆状的沉积物。 ( 3 ) 半深海带沉积物。通常以陆源泥为主，可有少量化学沉积物和生物沉积 物。在浊流和海底地滑发育区，可有来自浅海的粗碎屑物，局部地段可见冰川碎 屑和火山碎屑。大陆坡上分布最广的沉积物是形成于还原环境中的蓝色软泥：分 布于热带、亚热带海岸大河口外的红色软泥和发育于大陆架与大陆坡接壤地带的 绿色软泥。 ( 4 ) 深海沉积物。通常以浮游生物遗体为主，而极少陆源物质。沉积速率极 为缓慢。深海区生物源沉积物通常为各种生物软泥；包括硅藻软泥和放射虫软泥 的硅质软泥；包括有孔虫( 又称抱球虫) 软泥、翼足类软泥和颗石软泥的钙质软 泥。 我国海洋地质界长期沿用的s h e p a r d 分类，以砂、粉砂、粘土为三端元，分 别以2 0 和5 0 为含量界线嗽3 。 2 1 2 海底表层沉积物特性 海底表层沉积物是指深度为0 0 4 m 的海底沉积物层。由于表层沉积物没有 6 基于a n s y s 和f l u e n t 的海底沉积物原位保真采样系统性能分析 经过压实作用，而且是在快速沉积条件下形成的，所以其总的表现为粒径较细， 含水率高、孔隙比高、可塑性、强度低和结构较松散等特点。大部分沉积物剪切 强度范围为0 3 - 6 6 k p 。，剪切强度低：含水量的值较高，超过3 0 。 2 1 3 海底浅层沉积物的特性 1 海底浅层沉积物的力学性质 沉积物的力学性质是指沉积物在外力作用下所表现的性质，主要为变形特性 和强度特性，通常以压缩系数和抗剪强度参数来表示。由于含水量极高海底浅层 沉积物呈流塑状态，聚力平均值是5 4 7 ，内摩擦角的平均值是2 9 0 。资料结果 表明口订蚴嘲耵：淤泥压缩系数介于1 3 2 4 7 m p a ，压缩模量介于1 3 2 2 1 8 m p a 。 2 海底浅层沉积物的物理性质 ( 1 ) 天然密度p 。它与沉积物的比重、孔隙体积及孔隙水量有关。如淤泥和 淤泥质粉质粘土的大约平均天然密度分别为1 6 9 c m 3 和1 7 9 9 c m 3 。沉积物颗 粒组成愈细，粘粒含量越高，天然密度则越低。 ( 2 ) 含水率。表层沉积物含水率略高于浅层沉积物，淤泥含水率最高。若岩 性、粒度和粘土含量一致，含水率随深度增加而降低的趋势不明显。 ( 3 ) 饱和度s ，。由于沉积物处于水下环境，故其饱和度很高，多数高于9 5 。 相比而言，细粒土的饱和度高于粗粒土，表层土沉积物高于浅层沉积物。 ( 4 ) 孔隙比e 。海底沉积物的孔隙比与其结构、粒径大小、排列和密实程度 有关。通常，粒度细、含水量高，孔隙比高，反之孔隙比低。粗粒沉积物的孔隙 比较低，大部分 1 0 ，细粒沉积物孔隙比较高，多分布在1 2 以上。 一 ( 5 ) 渗透系数k 。沉积物的透水性可用渗透系数来表示，其渗透能力的大小 与颗粒组分及颗粒排列的紧密程度有关。试验结果表明：粗粒沉积物透水性强， 渗透系数大；细粒沉积物透水性弱，如淤泥为2 9 4 x1 0 c m s 。 ( 6 ) 沉积物的可塑性指标。反映海底沉积物的可塑性指标包括液限( 彬) 、塑 限( ) ，塑性指数( ，) 和液性指数( ) 。沉积物的可塑性与粘粒含量密切相关，粘 粒含量高，可塑性好，反之则差。 3 海底沉积物的力学和物理性质之间的关系 影响沉积物力学行为的因素很多，但以下几个指标作用较大：含水量国( ) 是沉积物的物理状态的重要指标，它决定着沉积物的力学性质，尤其对淤泥更是 如此。天然密度p 综合反映了沉积物的物理组成和结构特征。孔隙比e 表示沉积 物的孔隙特征和密实情况，反映了沉积物的结构特征，是沉积物具有不连续性的 7 基于a n s y s 和f l u e n t 的海底沉积物原位保真采样系统性能分析 体现。液性指数是鉴定沉积物的稠度的指标，稠度实际上是反映沉积物的含水率 不同。 试验表明1 力啪3 ，在影响沉积物压缩性因素中，密度对淤泥影响较大，而 抗剪强度特征方面，含水量对淤泥的影响较大。因此，不同的地质环境应选用不 同的取样方式，减小层次间的扰动。 2 2 海底沉积物贯入特性机理研究 用重力式、冲击式和振动式采样器进行海底采样时，经常会出现样品在管中 被压实的现象，即“桩效应现象，其出现的原因不仅受到工作海域的气象条件、 海深、海底沉积物性质和工作船只等客观因素影响，还在于所采用的钻进方法、 采样器结构及其工作原理，“桩效应”的出现对海底样品采样率产生不利影响。 采样器依靠自重贯入采样过程时，沉积物中的水不会瞬间挤出，沉积物的孔 隙率变化很小，此时采样器护罩、样品管内壁与沉积物之间就产生了摩擦力，使 得采样器减速，同时该力作用于刀头切削刃和护照前的沉积物，使其状态发生变 化，这个力对于未采集到的沉积物层的影响依赖于沉积物的剪切力和塑性。尤其 是在贯入软、硬沉积物层交替出现的时候，刀头前沉积物的变形会导致软塑性流 态的沉积物向四周流失；而进入样品管的沉积物层就较薄，最后结果是在采样过 程中，所有的沉积物层都变薄了，但软沉积物层相对比硬沉积物层变的更薄。采 样器继续前进，刀头前面的变形就更大，所采集到的沉积物层也就更薄。样品最 终进入样品管一定位置，内壁与样品间的摩擦力阻止沉积物进一步进入，就会出 现样品缩短，部分沉积物从采样器头部前面流走，沉积物在刀头前端就形成了一 个球形或圆锥形塞子，样品管继续前进时，如同实心棒，把所有的沉积物推向四 周，这就是“桩效应”产生的机理。 2 2 1 贯入采样过程产生“桩效应 的机理分析 文献口鲫表明，静载贯入时，样品在管中的充填高度主要依赖于样品管直径、 土芯与管壁的摩擦力和土层的强度。给出了在大量实验基础上总结出的临界填充 高度经验公式( 2 - 1 ) 。 h o = 3 a f ( 2 - 1 ) 式中： ，为样品在样品管中土层填充高度的临界值，m m ；d 为管子内径， m m ；厂为沉积物与管壁的摩擦系数。 可见，静压条件下，不可能得到很长的土层样品。当样品管在冲击、振动作 用下贯入时，会出现颗粒间内聚力减弱即土壤“松弛”，内、外表面的摩擦系数 明显降低，比单纯静载方式的临界贯入深度要大得多。 本文采样器从采样方式来说属于重力冲击式采样器，因此，对在重力冲击作 用下采样时产生“桩效应 的机理进行了分析。采样器贯入采样时受力如图2 - 1 8 基于a n s y s 和f l u e n t 的海底沉积物原位保真采样系统性能分析 所示，其主要受力有：g 为沉积物样品自重，为样品管内壁对样品的作用力， 无为沉积物与管内壁之间的摩擦力，丸为沉积物与管内壁之间的摩擦力，g 。为 海水对样品的压力，沉积物进入管内时水的阻力很小，可以忽略。 善霭 c l i 正 ：? o i 五 x 、。 i 砷 甏j i 矗? i ，”：l + + 、f ? j 矗 爨： f 矗 _ 二：j ：i 厶 二i ，i 0 ，：l ： 一霎 i i “67 “ 乡毒 小： 一f if ：i 吒一i l 测 一“ 一。 r 五 、i? 五 1 越、 ：专i ：j t ? ! ! k 。曼 、7 ：丫 ，：、二，1 腭 卧 ! 扣： i ，t ：-。：j。： 、j z f j 、忒 豁 一。v ”t 口 00：?- 一- 。t： 图2 1 采样器头部与样品受力 根据库仑理论，沉积物对管内壁表面的压力( 与互为相互作用力， 大小相等，则 n = n 7 - 庀i j , h 2 2 ) t a n 2 4 + 驴2 ) ( 2 2 ) 管内摩擦力为 = 2 n = a d 。7 g 2 2 ) t a n 2 ( n 4 + c p 2 ) 2 ( 2 3 ) 式中，膨为样品与管内壁的摩擦系数；d 。为下链接管及刀头内径，m ；伊为 样品内摩擦角；h 为样品管贯入深度，m 。 管外摩擦力为 凡2m咖(2-4) 式中，f 为样品侧压力系数，“为沉积物与密封舱之间的摩擦系数，厂样 品重度，锄3 。 采样器头部侧面与样品摩擦力为 =h乒h(2-5) 9 基于a n s y s 和f l u e n t 的海底沉积物原位保真采样系统性能分析 式中，吒为采样器作用于样品和样品作用于采样器的作用力与反作用力，n ； 鸬为沉积物与护罩之间的摩擦系数。 当岩心长度等于取样管的贯入深度时，沉积物样品在水中的自重g 为 g = 瘫。2 比，一，) 4 ( 2 - 6 ) 式中，九为海水的容重，s m 3 。 此时，沉积物进入采样管受到的总反力s 为 s = 无+ g ( 2 7 ) 则采样器刀头端面空间压力p 为 p = 4 。g 匠。2 。) = ( 2 d 。囊：加2 t a n 2 0 衫4 + 伊2 ) + 矗一y 。) ( 2 8 ) “桩效应 出现的条件是：采样器刀头端面空间沉积物的压力大于或等于体 积压缩状态下沉积物的强度极限仃，即p 仃。当p = 仃时，有 ( 2 矗x 2 廊2 t a n 2 ( z 4 + c p 2 ) + h o - y ，) = 仃( 2 - 9 ) 求解式( 2 - 9 ) ，可得贯入深度的临界值i j l ，为 铲业丛号舞麓焉产 沼 4 弘2 7 ，t a n l 协? 4 + 97 2 ) 由式( 2 1 0 ) 可知，如果贯入深度超过此临界值，则采样时样品将会出现“桩 效应 。为了尽可能在贯入采样时避免“桩效应刀的出现，本文采用聚乙烯衬管 作为样品管，降低摩擦系数，从而提高样品采集率。 如图2 2 所示，贯入采样时，产生了样品与采样器摩擦力和垂直于采样器头 部的正应力。仃为外摩擦力，和的合力。可见，由于摩擦力，的存在，使吒的 方向发生了向下的偏转，说明外摩擦力，的存在不仅直接增加了采样器的贯入阻 力，还使采样器头部对沉积物的正应力发生偏转。根据沉积物的密度不同，外摩 擦力厂和吒的比率关系也不同，则合力盯的大小和方向也会发生变化。 将采样贯入时产生的两个力厂和吒沿水平和竖直方向进行分解，从而求得 采样器贯入阻力吼与沉积物中水平应力和垂直应力之间的关系。设吒为采样器 头部对沉积物的天然水平应力，g ，为采样器头部对沉积物的天然垂直应力，则 1 0 基于a n s y s 和f l u e n t 的海底沉积物原位保真采样系统性能分析 q c ：2 0 - c o s a t + , 3 c o s 2 + _ h _ 2 2 慰。y t a n ( z 4 + 伊2 ) + 2 9 1 9 ) h ( 2 1 1 ) 式中，口为采样器护罩夹角，口为采样器护罩与密封舱的夹角，且口7 = 口。 由式( 2 1 1 ) 可知，采样器的贯入阻力吼与沉积物的重度、贯入深度、侧压力系 数和摩擦系数有关。 2 2 2 重力冲击式采样器配重的确定 在不发生“桩效应 的条件下，可按采样器头部内、外表面受力总和来确定 采样器贯入沉积物所需的配重p 为 p = 日4 - f o + 最- g ( 2 1 2 ) 式中，矗为沿管子外表面的阻力，n ；磊为作用在采样