【摘要】：我國海域遼闊,海底蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源、如天然氣、石油、可燃冰等,這些深埋海底的資源不僅給開采帶來極大難度,探測資源在海底的分布情況也是工程中的一大難題。鑒于地震波在海水中衰減較慢的特性,海底資源探測中采用最多的即為地震勘探法,利用人工地震源向海底發(fā)射地震波,然后采集海底反射回來的地震波信號,最后通過不同海底結(jié)構(gòu)的不同反射特性,反向解析出真實的海底結(jié)構(gòu),即達到了海底資源勘探的目的。對于深海資源勘探來說,探測波不僅要穿透上千米深的海水,還要穿透一定深度的海床結(jié)構(gòu),綜合各方面因素考慮,這種聲波必須具備低頻、高能、寬帶的特性,才能勝任深�？碧饺蝿�(wù),而氣槍就是目前使用最為廣泛的低頻人工震源。本文的研究主要著眼于工程中遇到的實際問題。1)工程中氣槍陣列的快速優(yōu)化設(shè)計問題,隨著海洋資源的探索逐漸由淺海走入深海,人們對海上震源的使用提出了更高的要求,如何使氣槍產(chǎn)生的遠場壓力子波能傳播更遠的距離,且具有足夠的能量穿透海底的地質(zhì)結(jié)構(gòu),一直是人們亟待解決的問題。2)相干槍在工程中的使用問題,同陣列設(shè)計問題一樣,相干氣槍應(yīng)該如何排布才能起到更好的氣泡脈沖壓制效果,而又不會對主脈沖的幅值造成很大影響,對于增加海底資源探測的分辨率十分有意義。3)是氣槍結(jié)構(gòu)設(shè)計中關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定問題,我們知道氣槍開口尺寸、開口形狀、開口位置、槍體長度和厚度等均會對氣槍發(fā)射的探測壓力波產(chǎn)生影響,如何設(shè)計這些參數(shù)才能使單槍震源激發(fā)具有更大的初始能量,以及足夠的低頻成分,滿足更深、更遠探測要求,實現(xiàn)海底資源的高精度探測。4)是電火花震源的研究,電火花震源也常被用作海底資源探測,是最早用于海底資源勘探的非炸藥震源,但氣泡的生成及脈動機理都相當?shù)貜?fù)雜,理論方法和數(shù)值模擬所能求解的情況比較有限。氣槍氣泡的脈動過程往往較為復(fù)雜,常常伴隨著湍流和漩渦形成,為氣槍氣泡脈動中基礎(chǔ)力學(xué)問題的研究增加了很多困難,為進一步加強人們對氣槍氣泡的了解,本文采用了多種方法對氣槍氣泡脈動及流場壓力特性進行了研究,包括球形氣泡脈動理論、邊界積分法、有限體積法以及電火花氣泡實驗法,這些方法各有其優(yōu)勢和不足,工程中可根據(jù)氣槍使用的不同要求,選擇合適的計算模型和方法。目前工程中使用最多的即為基于球形氣泡理論對氣槍氣泡脈動方程直接求解,采取一定的近似手段來快速獲取遠場震源子波信號的大致形態(tài),考慮到該方法在計算速度上的優(yōu)勢,本文將其與粒子群算法相結(jié)合建立了氣槍陣列快速設(shè)計及優(yōu)化的方法,但該方法在計算過程中忽略了氣泡形態(tài)對震源信號的影響,不利于氣槍氣泡近場壓力的計算,以及氣槍氣泡脈動過程中一些復(fù)雜機理的解釋。邊界積分法在模擬氣槍氣泡非球形變化過程中具有較大優(yōu)勢,本文基于邊界積分法系統(tǒng)地研究了氣泡非球形變化對遠場壓力子波影響,以及多槍氣泡相互耦合問題,對最佳相干距離等問題進行了深入研究,但邊界積分法對于氣槍氣泡與不同邊界的強耦合問題的計算上仍差強人意,如氣槍氣泡與槍體的耦合、氣泡射流融合撕裂等,另外,邊界積分法在計算速度和穩(wěn)定性上也遠不如球形氣泡脈動模型。有限體積法的引入主要是用來幫助加深氣槍氣泡工作原理的了解,基于有限體積法可以很好的解決邊界積分法中由氣泡撕裂融合等引起的計算發(fā)散,大大提高了計算的穩(wěn)定性,有限體積法可以很好的再現(xiàn)氣槍與槍體耦合情況,對于解決氣槍設(shè)計過程中開口尺寸、槍體直徑等關(guān)鍵參數(shù)的確定具有重要意義,但相比于邊界積分法,有限體積法的計算效率更低,并不適用于工程中大量氣槍氣泡同時激發(fā)的情況,而且受限于計算域的尺度,并不能直接算出距離氣泡足夠遠處測點的壓力。電火花氣泡的研究和使用可以追溯到上世紀中期,電火花氣泡同激光氣泡等空化氣泡一樣,之前多被認為是爆炸氣泡的研究手段,它很好地克服了爆炸氣泡污染環(huán)境、費用高和透明度低等主要缺點,是人們實驗室研究氣泡脈動機理的較好的輔助手段,借助電火花氣泡實驗本文研究了氣泡與不同邊界的相互作用,雖然同氣槍氣泡形態(tài)具有一定的差異,但二者同屬于高壓氣團驅(qū)使下的氣泡彈性震蕩,電火花氣泡對于氣槍氣泡的研究仍有很多借鑒意義。本文建立了帶約束的氣槍陣列優(yōu)化算法,考慮了空間位置、震源容量等實際施工限制,發(fā)現(xiàn)在給出合適的目標函數(shù)后,僅通過對氣槍發(fā)射時間、空間分布等陣列布置參數(shù)的簡單調(diào)整,即可實現(xiàn)陣列遠場壓力子波的優(yōu)化。通過對不同間距下相干氣槍遠場壓力子波主脈沖、初泡比和氣泡周期的無量綱分析,發(fā)現(xiàn)隨著氣泡無量綱距離的增大,初泡比呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在無量綱距離約為1.6的時候(多氣泡即將融合),初泡比存在一個極大值�；谟邢摅w積法的非球形氣槍氣泡研究,發(fā)現(xiàn)氣槍開口位置、開口高度、開口形式等均對遠場壓力子波具有一定影響,在槍體設(shè)計中它們的取值極為關(guān)鍵。通過高電壓電火花氣泡放電實驗研究,發(fā)現(xiàn)電火花氣泡形態(tài)、周期、射流、遷移與距離參數(shù)和邊界種類關(guān)系密切,并對其變化規(guī)律進行了總結(jié)。
【圖文】：

1.1 研究目的與意義隨著陸地上煤炭、石油和天然氣等傳統(tǒng)能源的不斷枯竭，包括可燃冰等在內(nèi)的海底能源成為全世界爭奪的戰(zhàn)略性資源，各個國家都在加大力度對海底資源進行開發(fā)，勘探和開采這些海洋資源對實現(xiàn)海洋強國具有十分重要的意義。目前，常用的地質(zhì)勘探方法主要有重力勘探、磁法勘探、電法勘探和地震勘探。重力勘探是利用巖石的密度差異引起的重力在地表上的變化，通過重力儀即可尋找地下儲油構(gòu)造和其它礦藏的分布的一種方法；磁力勘探是利用磁力儀在地面或空中測量地下巖石的磁性變化（磁力異常），來探測地下地質(zhì)構(gòu)造和尋找其它礦藏的方法；電法勘探就是用專門的儀器測量地下巖石的導(dǎo)電能力，不同的巖石具有不同的礦物組成，具有不同的導(dǎo)電能力（電性差異），來推測地下儲油構(gòu)造的一種方法；地震勘探主要是利用的是巖石的彈性差異，利用人工地震源向地下發(fā)射一個地震波信號，地震波信號會在介質(zhì)分界處形成反射，然后根據(jù)地震記錄儀接收到的反射波信號和地震波在地下巖層中的傳播規(guī)律，即可反向解析接收的反射波所承載的地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，，探查地底石油等資源的分布情況，探測過程如圖 1.1 所示，探測結(jié)果反饋如圖 1.2 所示。

地面界面1界面2砂巖頁巖石灰?guī)r圖 1.2 地震勘探原理示意圖（圖片來自互聯(lián)網(wǎng)）Fig 1.2 Schematic diagram of seicmic propecting (Figure comes from the Internet)氣槍震源主要是利用內(nèi)部高度壓縮空氣在水下快速釋放，來引起周圍流場的彈性，從而在氣槍氣泡形成及脈動的同時，不斷向外輻射壓力子波，如圖 1.4 中實體氣圍的藍色虛線和實線所示，壓力波以氣槍為中心向四面八方迅速擴散，圖中紅色實距氣槍中心 9000 m 遠處固定測點探測的壓力子波形態(tài)，圖中結(jié)果未考慮自由面反起的壓力變化。圖 1.3 描述了真實氣槍在水下發(fā)射形成的氣槍氣泡脈動過程，慣性下氣泡的膨脹、收縮和反彈過程往往會重復(fù)多個周期，直至氣泡破碎，除膨脹初期的主脈沖外，氣泡每一次收縮到體積接近最小時刻，氣泡都將輻射新的壓力脈沖，是常說的“氣泡脈沖”，氣泡的每一次重復(fù)脈動都相當于一個新的震源，形成的氣泡大大降低了震源子波的探測分辨率，而氣泡脈沖的抑制問題一直是研究的熱點。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P631.46


本文編號：2663207