一种海底原位热导率的解算方法

摘要

本发明提供一种海底原位热导率的解算方法，属于海底原位热流探测技术领域，通过姿态检测模块检测探针在海底的姿态和运动情况，再通过主控模块控制热脉冲控制模块激发热脉冲对测量单元前端探头的加热丝进行电加热；同时主控模块控制温度采集模块进行海底沉积物温度数据采集后输出到PC机；通过PC机建立有限元TC_FE数值模型，采用网格加密搜索法进行参数反演。本发明可通过姿态检测模块来判断到底情况并进行自动热脉冲控制，同时获取海底沉积物原位环境温度和原位热导率，而且可大大提高海上作业的安全性和海底探测效率；通过建立原位热导率数值反演方法，从而摆脱原位热导率求解所依赖的简化模型解析解的局限性。

主权项

一种海底原位热导率的解算方法，其特征是：包括以下步骤：(1)通过姿态监测模块监测探针在海底的姿态和运动情况，当判断探针插入并静止于海底沉积物中7‑10分钟后，主控模块控制热脉冲控制模块激发热脉冲对测量单元前端探头中的加热丝进行电加热；(2)通过主控模块控制与测量单元连接的温度采集模块进行海底沉积物温度数据采集；(3)主控模块对温度数据进行自容处理；(4)自容的数据通过测量单元与参数设置与数据读取器之间的通讯连接而输出到PC机；(5)通过PC机建立的有限元TC_FE数值模型，采用网格加密搜索法进行参数反演，步骤如下：1)设海底沉积物视热导率λ₂₁和海底沉积物视体积热容C₂₁，其中λ₂₁为海底沉积物热导率λ与测量单元前端探头体积热容C₁比值,即λ/C₁，C₂₁为海底沉积物体积热容C与测量单元前端探头体积热容C₁比值,即C/C₁,对求解区域$\left\{\begin{array}{c}{\lambda }_{21}\in [1.0\times {10}^{-7}{m}^2·s^{-1},2.0\times {10}^{-6}{m}^2·s^{-1}]\\ C_{21}\in [0.1,4.0]\end{array}\right.$中两参数都进行m等份剖分,获得初始的(m+1)×(m+1)个网格节点其中i,j＝1,2,…,m；2)取λ₁₁＝1.0×10^‑4m²·s^‑1，利用TC_FE模型计算时，测量单元前端探头顶端处的T‑t温度数据,其中T为温度，t为时间,记为其中λ₁₁为测量单元前端探头等效热导率λ₁与其等效体积热容C₁的比值,即由于理论研究表明，λ₁₁的变化对反演结果影响非常小，可忽略不计，因此可依据测量单元前端探头加工材料的经验热导率、体积比热容和热扩散率变化范围值，取值λ₁₁＝1.0×10^‑4m²·s^‑1；3)通过PC机进行有限元模拟获得的和探针在海底沉积物中实测的T‑t温度数据(记为(T_meas,t_n))进行归一化处理,获得归一化std.T‑t数据：$std.T_{\mathrm{mod}}^{i,j}\left(t_n\right)=\frac{T_{\mathrm{mod}}^{i,j}\left(t_n\right)}{Max\left\{T_{\mathrm{mod}}^{i,j}\left(t_n\right)\right\}},$$std.T_{meas}\left(t_n\right)=\frac{[T_{meas}\left(t_n\right)-T_{meas}\left(0\right)]}{Max\{T_{meas}\left(t_n\right)-T_{meas}\left(0\right)\}};$4)利用最小二乘法,对与std.T_meas(t_n)进行线性拟合得出：$std.T_{meas}\left(t_n\right)=K_1^{i,j}·std.T_{\mathrm{mod}}^{i,j}\left(t_n\right),$求解该拟合直线斜率和相关系数R^i,j,其中相关系数计算表达式如下$R^{i,j}=\frac{n\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}(std.T_{\mathrm{mod}}^{i,j}(t_k)·std.T_{meas}(t_k\left)\right)-(\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}std.T_{\mathrm{mod}}^{i,j}\left(t_k\right))·(\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}std.T_{meas}(t_k\left)\right)}{\sqrt{[n\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(std.T_{\mathrm{mod}}^{i,j}(t_k\left)\right)}^2-{(\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}std.T_{\mathrm{mod}}^{i,j}\left(t_k\right))}^2]·[n\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(std.T_{meas}(t_k\left)\right)}^2-{(\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}std.T_{meas}\left(t_k\right))}^2]}};$5)定义目标函数为并求解各网格点处的目标函数值i,j＝1,2,…,m；6)找出目标函数值最小的网格点，$F({\lambda }_{21}^{i0},C_{21}^{j0})=min\left\{F({\lambda }_{21}^i,C_{21}^j)\right\},$如果$F({\lambda }_{21}^{i0},C_{21}^{j0})<ϵ$(ε为判断是否满足求解要求而设定的阈值)，则接受为所需要求解的海底沉积物视热物性参数(λ₂₁,C₂₁)，否则，将以为中心的邻域为求解区域，将网格加密，返回到步骤2)，直到满足为此，从而解算得到海底沉积物视热物性参数7)再次利用最小二乘法,对与T_meas(t_n)进行线性拟合：根据温度采集模块测得海底沉积物环境温度T₀，求解其拟合直线斜率和其中$K_2^{i,j}=\frac{H_{0\_meas}}{H_{0\_\mathrm{mod}}}=\frac{A_{0\_meas}/C_1}{A_{0\_\mathrm{mod}}/C_1},$根据步骤(1)测得的脉冲加热电流计算得到测量单元前端探头体积生热率A_{0_meas}，根据TC_FE模型得出探头的视体积生热率H_{0_mod}＝A_{0_mod}/C₁，由此可求解得到探头的体积热容$C_1=\frac{A_{0\_meas}}{K_2^{i,j}·[A_{0\_\mathrm{mod}}/C_1]}=\frac{A_{0\_meas}}{K_2^{i,j}·H_{0\_\mathrm{mod}}},$又根据λ＝λ₂₁·C₁可求解出海底沉积物热导率。