海底冷泉渗漏气泡流速的超声多普勒测量实验研究

摘要

海底冷泉渗漏是海洋环境中广泛分布的自然现象。海底冷泉活动及其伴随的甲烷渗漏，不仅引发了复杂的海洋生物、地球化学循环和生态过程，而且在全球碳循环和气候效应研究中占重要地位;部分渗漏天然气在适合的环境中将生存成天然气水合物，储存在水合物中的天然气有可能成为未来能源。人类有必要对海底冷泉进行观测，探测出海底冷泉天然气的渗漏气体流量。
　　海底冷泉渗漏气泡流速是测量海底冷泉渗漏气体流量的主要参数。为了原位观测冷泉活动及海底冷泉渗漏气体流量，本文基于本课题组的测量前调整气泡状态并用透射声波测量渗漏气泡流量的方法，在开展了超声测量截面含气率和光学测量气泡流速的实验研究基础上，提出一种新的方法测量海底冷泉渗漏气泡流速，即利用超声多普勒测量的原理和气泡的二次多普勒效应，应用超声多普勒测速测量海底冷泉渗漏气泡流速。
　　本文介绍了超声多普勒理论，
　　和散射定律，以及FFT变换。为了初步验证海底冷泉渗漏气泡流速的超声多普勒测量这一方法的正确性，根据超声多普勒原理，声波的反射和散射定律设计了一发一收式的超声多普勒气泡流速测量装置，通过超声多普勒频移算出海底冷泉渗漏气泡流速。
　　然后在此基础上进行改进，消除气泡运动方向与超声波束夹角的问题和测量结构的优化，采取一发两收的方式进行实验研究。实验利用实验装置模拟海底冷泉渗漏气泡不同气流量的的状态，在不同气流量下利用超声多普勒对海底冷泉渗漏气泡流速进行测量，且利用多普勒装置的摆动对三个位置的角度的数据进行测量，研究得出了海底冷泉渗漏气泡流速与海底冷泉渗漏气泡不同气流量之间的关系，实验得出海底冷泉渗漏气泡不同气流量对海底冷泉渗漏气泡流速的影响规律和角度摆动对测量结果的影响。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景、目的和意义

1．2 海底冷泉渗漏气泡流量测量的研究现状

1．2．1 国外海底冷泉渗漏气泡流量测量的研究现状

1．2．2 国内海底冷泉渗漏气泡流量测量的研究现状

1．3 超声多普勒测量的运用

1．3．1 超声多普勒在医学上的运用

1．3．2 超声多普勒在交通上的运用

1．3．3 超声多普勒在航空上的运用

1．4 课题来源与研究内容

1．5 论文结构安排

第二章 海底冷泉渗漏气泡流量的超声多普勒测量理论

2．1 声波的物理参数

2．1．1 声波频率

2．1．2 声速

2．1．3 声衰减

2．2 海底冷泉渗漏气泡的物理参数

2．2．1 海底冷泉渗漏气泡的截面含气率

2．2．2 海底冷泉渗漏气泡的速度

2．3 超声多普勒的测量原理

2．3．1 多普勒效应

2．3．2 超声多普勒测量流量的模型

2．3．3 超声测量气泡的多普勒效应

2．4 超声多普勒测量气泡的信号解调

2．5 本章小结

第三章 海底冷泉渗漏气泡速度的超声多普勒测量的初步实验

3．1 初步设计方案

3．2 超声多普勒测量海底冷泉渗漏气泡速度参数的选取

3．2．1 超声束与气泡运动方向夹角的选取

3．2．2 超声换能器中心频率的选取

3．3 海底冷泉渗漏气泡速度的超声多普勒测量的实验步骤

3．4 超声多普勒测量海底冷泉渗漏气泡速度的初步实验研究

3．4．1 实验条件

3．4．2 初步实验研究结果

3．5 本章小结

第四章 海底冷泉渗漏气泡速度的超声多普勒测量改进设计

4．1 改进的原理

4．2 超声多普勒实验测量的总体方案设计

4．3 超声多普勒测量气泡速度的结构设计

4．4 本章小结

第五章 海底冷泉渗漏气泡流量的超声多普勒测量的实验研究

5．1 超声多普勒测量气泡速度的实验的步骤

5．2 超声多普勒测量气泡速度的实验结果

5．2．1 实验条件

5．2．2 实验研究结果

5．3 超声多普勒测量海底冷泉渗漏气泡流量的实验研究

5．3．1 截面含气率的实验结果

5．3．2 超声多普勒测量海底冷泉渗漏气泡流量的实验研究

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢