深海浮游微生物浓缩保压取样关键技术研究

摘要

深海浮游微生物是一种人类新认识的深海资源，在生命的起源、新基因的发现、新药品的研制和环境保护等许多方面有着重要的研究意义。研究深海浮游微生物的首要条件是获取大量具有原位特性的微生物样本。现有的深海浮游微生物取样器受取样筒容积的限制，单次取样只能获得较少数量的微生物样本，同时不能保持样本的原位压力。针对传统深海浮游微生物取样器的不足，论文提出了一种全新原理的深海浮游微生物取样技术——浓缩保压取样技术。 论文以深海浮游微生物浓缩保压取样器设计为背景，对深海无污染无压力突变原位浓缩取样技术、深海高精度保压取样技术、超高压海水液压系统密封设计技术和深海高压密封舱可靠性设计技术进行了深入研究。论文的主要研究内容如下： 提出了深海无污染无压力突变取样技术，通过在取样筒的入口端安装海水高压单向阀、出口端安装海水高压单向电磁阀实现了无污染、无压力突变取样，有效避免了取样筒在取样前被上层海水污染和海水进入取样筒时发生压力突变。 提出了深海原位浓缩取样技术，采用深水泵吸取大量海水通过滤膜实现了深海浮游微生物原位浓缩取样，显著提高了取样器单次取样获得的微生物样品数量，避免微生物样品在实验室进行过滤浓缩时发生的样品损失和压力变化。 对海水高压单向阀的复位弹簧进行了优化设计研究，提高了海水高压单向阀的动态性能。设计了一种能在60 MPa海水环境正常工作的单向电磁阀，确保了浓缩取样自动控制功能的实现。 提出了基于预充压力蓄能器的高精度保压取样设计理论，建立了蓄能器压力补偿过程的数学建模，推导出了取样筒样品最终压力计算公式。 对蓄能器的预充气压力、公称容积和保压取样效果的关系进行了仿真研究和实验验证。实验结果表明：不带压力补偿装置的取样器存在较大的压力下降，不能实现保压取样(压力下降>10％)；带有压力补偿装置的取样器能可靠实现高精度保压取样(压力下降<5％)。 提出了基于有限元计算方法的O形密封圈的密封性能评价方法，计算结果和密封性能实验结果表明，采用O形圈能够可靠实现60 MPa海水液压系统的密封。 提出了基于模糊可靠度的密封舱壁厚优化设计方法，计算表明：与安全系数法设计结果相比，该方法可以显著减轻密封舱的重量。耐压实验表明：基于优化设计方法的密封舱具有足够的强度，满足设计要求。 为了验证取样器的整体性能，论文设计的深海浮游微生物浓缩保压取样器进行了深海实验。海试评审专家一致认为：论文设计的取样器结构合理，水密性能良好，能够实现浓缩取样和高精度保压取样。科技查新结果表明，论文提出的深海浮游微生物原位浓缩高精度保压取样技术具有原创性。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权说明

第一章绪论

第二章深海浮游微生物浓缩保压取样器系统方案研究

第三章深海浮游微生物原位浓缩取样技术研究

第四章深海高精度保压取样技术研究

第五章超高压海水液压系统密封技术研究

第六章深海高压密封舱可靠性设计研究

第七章取样器深海实验研究

第八章结论与展望

参考文献

附录

致谢