深海浮游微生物浓缩保压取样关键技术研究

论文摘要

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阎、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0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0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

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 深海浮游微生物研究历史、意义与现状
• 1.1.1 深海浮游微生物研究历史
• 1.1.2 深海浮游微生物研究意义
• 1.1.3 深海浮游微生物研究现状
• 1.2 深海浮游微生物取样技术现状与发展趋势
• 1.2.1 深海取水器发展现状
• 1.2.2 国外深海浮游微生物取样技术现状
• 1.2.3 国内深海浮游微生物取样技术现状
• 1.2.4 深海浮游微生物取样技术发展趋势
• 1.3 论文涉及的主要关键技术
• 1.4 论文的研究内容和结构
• 1.5 论文的研究意义
• 1.6 本章小结
• 第二章 深海浮游微生物浓缩保压取样器系统方案研究
• 2.1 取样器设计要求与指标
• 2.2 取样器系统方案研究
• 2.2.1 取样器总体方案设计
• 2.2.2 无污染无压力突变取样方案研究
• 2.2.3 原位浓缩取样方案研究
• 2.2.4 超高压海水液压系统密封设计方案研究
• 2.2.5 高精度保压取样方案研究
• 2.2.6 样品转移方案研究
• 2.2.7 取样器总体结构与工作原理
• 2.3 本章小结
• 第三章 深海浮游微生物原位浓缩取样技术研究
• 3.1 深海浮游微生物无污染无压力突变取样原理
• 3.1.1 深海环境的特点
• 3.1.2 深海浮游微生物无污染无压力突变取样原理
• 3.1.3 海水高压单向阀复位弹簧优化设计研究
• 3.2 深海浮游微生物原位浓缩取样技术研究
• 3.2.1 微生物滤膜过滤能力研究
• 3.2.2 深水泵安装位置研究
• 3.2.3 海水高压单向电磁阀设计研究
• 3.2.4 取样器控制系统设计研究
• 3.3 本章小结
• 第四章 深海高精度保压取样技术研究
• 4.1 深海高压取样筒设计研究
• 4.1.1 取样筒材料选择
• 4.1.2 取样筒设计准则研究
• 4.1.3 取样筒结构设计研究
• 4.1.4 取样筒端盖连接设计研究
• 4.2 取样筒压力损失计算
• 4.3 压力补偿装置研究
• 4.4 基于蓄能器的压力补偿过程研究
• 4.4.1 蓄能器气体状态变化过程研究
• 4.4.2 蓄能器内气体最终压力计算公式
• 4.4.3 蓄能器实际开启压力计算
• 4.4.4 蓄能器预充压力与样品最终压力关系
• 4.4.5 蓄能器容积和样品最终压力关系
• 4.4.6 蓄能器预充压力和皮囊最小工作体积关系
• 4.5 取样器压力补偿实验研究
• 4.5.1 蓄能器加压体积变化实验研究
• 4.5.2 不带蓄能器的取样筒保压实验
• 4.5.3 带蓄能器的取样筒保压实验
• 4.6 本章小结
• 第五章 超高压海水液压系统密封技术研究
• 5.1 海水液压系统特点
• 5.2 超高压海水液压系统的泄漏机理与泄漏量计算模型
• 5.2.1 超高压海水液压系统泄漏机理
• 5.2.2 超高压海水液压系统泄漏量计算模型
• 5.2.3 泄漏量计算实例
• 5.3 超高压海水液压系统密封设计研究
• 5.4 基于有限元的 0形圈密封性能研究
• 5.5 0 形圈密封性能实验研究
• 5.6 本章小结
• 第六章 深海高压密封舱可靠性设计研究
• 6.1 机械可靠性设计概述
• 6.2 深海高压密封舱概率法设计研究
• 6.2.1 机械概率法设计
• 6.2.2 基于随机可靠度的蓄电池密封舱设计研究
• 6.3 深海高压密封舱模糊可靠性设计研究
• 6.3.1 机械模糊可靠性设计
• 6.3.2 基于最大应力和最小强度组合的模糊可靠度计算
• 6.3.3 蓄电池密封舱模糊可靠度计算
• 6.4 基于模糊可靠度的高压密封舱壁厚优化设计研究
• 6.5 本章小结
• 第七章 取样器深海实验研究
• 7.1 取样器深海实验背景
• 7.2 取样器甲板实验
• 7.3 取样器浅水实验
• 7.4 取样器深海实验
• 7.5 取样器性能评价
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 研究内容总结
• 8.2 论文创新点
• 8.3 工作展望
• 参考文献
• 附录一 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录二 攻读博士学位期间申请的专利
• 附录三 攻读博士学位期间参加的科研和教学工作
• 附录四 攻读博士学位期间所获奖励和参与的学术活动
• 附录五 取样器深海试验评审专家
• 致谢