浮游生物促进传质的实验研究

发布时间：2017-06-13 09:06

  本文关键词：浮游生物促进传质的实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：海洋环境中的物质交换或质量传输一直是海洋研究的一个重要方面。限于技术原因,海洋生物在其间所起的作用很少有定量的研究。其中,浮游动物个体虽小,但数量庞大。具有有限但复杂的活动能力,在低雷诺数流动,即粘性作用占优的情况中这种主动的搅拌作用至关重要。从个体尺度,浮游动物是质量传输和物质扩散的促进者。当数量巨大的浮游动物群体昼夜垂直迁移上百米时,其对海洋表层与深层的物质交换效率的提高也是目前海洋环境研究的一个新的热点问题。发展定量的观测和实验方法是研究浮游生物促进传质的核心问题。本研究以饱和浓盐水与淡水混合过程为传质的模型。选取卤虫幼虫为模型动物。结合测量技术的发展,开展浮游动物促进传质过程的定量实验观测。相干光在直线传播过程中遇到折射率变化会发生转折,同时转折的光束与未受干扰的背景光束发生干涉形成干涉条纹。此条纹结构对应折射率变化,即密度不均匀。本研究以光学干涉技术为核心,建设了数字全息图像记录系统。并进一步结合数字图像处理技术,形成记录密度场(折射率)演变的干涉纹影系统。通过糖粒自然溶解扩散校准实验证明：(1)物质交换界面形状演变可以通过干涉图像记录并重现。(2)浓度差异与图像光强成正比。就卤虫幼虫在盐度梯度场促进混合的过程我们进行了下述研究：(1)从传质效率对比生物体存在与否对上述盐度混合模型的影响；(2)定量分析生物体在盐度梯度场内的行为模式；(3)定量分析生物体个体行为特征,包括其对周围流场的扰动范围；(4)生物体含盐尾迹形状识别与其演化过程分析；实验结果表明：卤虫的存在较大程度地提高了混合的效率；主要促进机制为扩大了有效传质面积,即身体带盐,并随生物体运动形成的复杂的含盐尾迹结构。微观上含盐尾迹每一点均代表一个新的扩散源。宏观上因为含盐尾迹在重力作用下整体向下扫·掠,形成扩散源的运动。从生物因素看,卤虫在盐度梯度环境中比均匀盐度场更加活跃,随着盐度场结构的变化,生物体的活动空间分布也随之变化。上述实验结果证明,生物促进传质是生物因素与物理因素的耦合过程。本研究所建立的实验观测技术和分析方法能够同步记录并分析上述两种因素,并可以扩展到生物体群体行为。为研究生物混合与促进传质奠定了基础。
【关键词】：数字全息图像 干涉纹影 传质 生物混合 卤虫
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q178.53
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-21
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 传质理论13-15
• 1.3 浮游生物简介15-17
• 1.3.1 浮游生物作为食物链的基础15-16
• 1.3.2 作为海洋环境中的个体16
• 1.3.3 作为工程设备与海水之间的生物体16-17
• 1.4 海洋科学和工程应用对传质理论提出新的问题17-19
• 1.4.1 传统海洋混合理论和尺度17-18
• 1.4.2 海洋科学和工程应用提出的新问题18-19
• 1.5 模型动物的选择19
• 1.6 研究目的及内容19-21
• 1.6.1 研究目的19-20
• 1.6.2 研究内容20-21
• 2 技术方法综述及技术路线21-31
• 2.1 密度场的光学观测方法21-25
• 2.1.1 纹影法21-23
• 2.1.2 相干法23-25
• 2.2 基于示踪技术的观测方法25-28
• 2.2.1 激光诱导荧光法(LIF)26-27
• 2.2.2 粒子图像测速法(PIV)27-28
• 2.3 数字全息图像技术28-29
• 2.4 技术路线29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 3 核心实验技术的建立与校准31-44
• 3.1 观测系统研发31-36
• 3.2 实验样品的获取和培养36
• 3.3 校准实验——糖度溶解过程关键参数的定量测量36-43
• 3.4 本章小结43-44
• 4 模型浮游动物行为及运动特征的定量测量44-53
• 4.1 实验目的及原理44
• 4.1.1 实验目的44
• 4.1.2 实验原理44
• 4.2 实验准备44-46
• 4.2.1 模型动物的孵化44-45
• 4.2.2 实验仪器及材料、软件45-46
• 4.3 均匀低盐度环境中卤虫幼体行为特征46-47
• 4.4 卤虫幼体运动特征47-50
• 4.5 卤虫幼体运动的流场特征及影响范围50-52
• 4.6 本章小结52-53
• 5 卤虫对盐度混合促进作用的实验研究53-64
• 5.1 实验目的及原理53
• 5.1.1 实验目的53
• 5.1.2 实验原理53
• 5.2 实验准备53-56
• 5.2.1 实验仪器及材料、软件53-54
• 5.2.2 预实验54-56
• 5.3 实验设计56-57
• 5.4 实验过程57
• 5.5 数据处理及分析57-63
• 5.5.1 盐度梯度下卤虫个体行为特征57-60
• 5.5.2 盐度梯度下卤虫尾迹典型结构及度量60-62
• 5.5.3 盐度梯度下卤虫对盐度混合扩散的促进作用62-63
• 5.6 本章小结63-64
• 6 结论与展望64-66
• 6.1 论文主要研究工作64
• 6.2 不足与展望64-66
• 参考文献66-70
• 致谢70-71
• 个人简历71-72
• 图目录72-74
• 参数说明74

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