深度从6000米至11000米的海沟区域具有独特的深渊环境和生命过程，逐步成为深海研究领域的最新前沿，深海中不仅蕴藏了丰富的矿产资源，而且孕育了种类繁多不为人知的宏生物资源。采集深海活体宏生物（是指生活在深海中的大型底栖生物，包括钩虾、深海狮子鱼等生物），是开展深渊环境变化、生命演化、生物物种分布及生存状况等科学研究的前提。深海宏生物采样有如下三种方法采集宏生物。一是饵料诱捕式采样方法，即通过饵料对深海宏生物进行被动诱捕，使深海宏生物进入到采样工具内，饵料诱捕式采样方法随机性大、采样成功率较低。二是机械手采样方法，即通过使用柔性材料制造的机械手对深海宏生物进行抓取式采样，通常采集海底2000m以内的宏生物。三是泵吸式采样方法，即利用抽吸泵工作产生负压对深海宏生物进行主动采样，由于其捕获响应快，也是目前深海宏生物采样普遍使用的方法。机械手、泵吸式采样方法都属于主动式，有利于提高采样成功率，但是，宏生物受外力被动进入容器，而对其捕获时很容易造成机械损伤甚至死亡。

　　目前，国内外学者对于深海保压保温采样做了一些工作，对于深海宏生物采样器采集过程的流场特性分析未见文献报道。由于深海宏生物生活在高压、低温和黑暗的环境下，实验室难以对采样器捕获深海宏生物的流场特性进行分析。然而，采样器在捕获深海宏生物过程中，不可避免的与采样器内壁发生碰撞，过大的抽吸速度可能对深海宏生物产生损伤，过小的抽吸速度无法捕获到深海宏生物。活体宏生物是采样的目标，因为死亡或者损伤就无法完全还原样品原位环境下功能基因的表达信息和蛋白活性特征，其研究价值将大打折扣。

　　本文以海洋深部生命研究获取深海活体宏生物需求为导向，设计了一种深海宏生物泵吸式保压采样器，利用抽吸泵对深海宏生物进行主动捕获，通过压力补偿器对采样器回收过程中的压降进行补偿。针对深海宏生物泵吸式捕获方法的特点，开展了泵吸式深海宏生物采样器捕获过程的流场特性分析，揭示了不同抽吸速度下泵吸式深海宏生物采样器内部流场分布和深海宏生物表面流场分布的规律，为泵吸式深海生物采样器结构设计和泵吸工艺优化提供了理论支撑。

　　为了验证本文设计的深海宏生物泵吸式采样器的可行性和数值仿真的有效性，开展深海宏生物采样器抽吸试验研究，搭建实验室模拟试验水池，通过液压泵站给抽吸泵提供液压源。深海宏生物采样器抽吸试验系统如图1所示，总体包括抽吸管、水箱、深海宏生物采样器、抽吸泵、液压泵站及液压管路。抽吸管通过接口与深海宏生物采样器入口端连接，抽吸泵一端通过接口与采样器出口连接，另一端通过接口与液压泵站连接。整个装置放在尺寸为2.3×0.3×0.21m的水箱内。调节液压泵站的流量控制采样器的抽吸速度，试验结果表明，当抽吸流量低于14m^3/h时，鱼类感受到水流而逃逸。当抽吸流量为14m^3/h~16m^3/h范围时，采样器能够捕获到鱼，且捕获完成后检查鱼能够正常的游动。当抽吸流量为16m^3/h~18m^3/h范围时，采样器能够捕获到鱼，但是发现鱼体表面挫伤，可能是由于抽吸速度过大，鱼撞击止返器而造成损伤。因此我们建议深海宏生物泵吸式采样器在海底抽吸宏生物过程中，尽量保持抽吸泵的流量在14m^3/h~16m^3/h之间，以平衡深海宏生物损伤和逃逸速度。

　　（1）深海狮子鱼未被吸入前时，采样器抽吸流量越大，导流区进口的速度越大，为了能够捕获到深海狮子鱼，应使泵吸式采样器的抽吸流量大于14m^3/h。采样器在抽吸深海宏生物过程中，深海宏生物容易与导流区抽吸管和保压区保压筒的上壁面发生碰撞。采样器内部的径向压力较稳定，波动很小，不会对深海宏生物造成影响。深海狮子鱼身体前部表面压力最大，最大值为282.9Pa，受到最大的吸力为0.18N。

　　（2）深海狮子鱼在导流区时，采样器内部流体经过深海狮子鱼表面时，流速显著增加，深海狮子鱼周围流体速度变化非常剧烈。深海狮子鱼前部出现了边界层分离现象，与此同时，回流区出现，分离涡形成。深海狮子鱼在导流区弯管位置处形成了间隙流，当深海狮子鱼的宽度较大时，很容易“堵塞”导流区抽吸管的弯道处，使导流区流道截面面积变小，导致流体的径向速度和压力增加。

　　（3）深海狮子鱼在保压区时，采样器内部的湍流动能变化的最大值在进口翻板密封阀处，这也导致了进口翻板密封阀处径向压力和速度变化较大。深海狮子鱼在保压区也形成了间隙流，但是保压区的直径比导流区抽吸管直径小，因此，最大径向压力和速度相对导流区小，对深海宏生物造成的影响也小。

　　结论（1）深海宏生物泵吸式保压采样器利用抽吸泵可实现对海底宏生物的主动捕获，设计了压力补偿器可对采样器回收过程中的压降进行补偿，我们在实验室对采样器进行了内压试验和高压舱（压力为110MPa）的触发动作试验，试验验证了深海宏生物泵吸式保压采样器的可行性

　　（2）深海宏生物在采样器不同位置处会引起流场压力和速度变化，且在不同位置处变化的幅度也不同。深海宏生物在导流区时流场压力和速度比在保压区时波动的大，这是由于导流区的抽吸管内径小，采样器在抽吸深海宏生物过程中容易堵塞管道，从而使流场压力和速度升高，可能对深海宏生物造成损伤。因此我们在设计采样器时，应考虑目标生物的大小。（3）深海宏生物泵吸式采样器在捕获深海宏生物过程中，过小的抽吸速度无法捕获到深海宏生物，过大的抽吸速度容易造成深海宏生物损伤。仿真分析结果表明：当抽吸泵的流量为14m^3/h时，采样器导流区入口的速度大于鱼的极限流速。我们在实验室进行了采样器抽吸试验，试验结果与仿真结果基本一致。因此，为了平衡深CQ9电子 CQ9电子游戏海宏生物损伤和逃逸速度，采样器的抽吸泵流量应控制在14m^3/h~16m^3/h之间。

　　前景与应用本研究构建了深海宏生物泵吸式采样过程的流固耦合模型，分析了泵吸式深海宏生物采样器采样过程中的流场特性，揭示了不同抽吸速度下泵吸式深海宏生物采样器内部流场分布和深海宏生物表面流场分布的规律，为泵吸式深海生物采样器结构设计和泵吸工艺优化提供了理论支撑。

　　本研究提出的深海宏生物泵吸式采样器设计方法在海试中得到了良好的应用效果。2023年9月，深海宏生物保压-培养系统搭载于“万泉Ⅱ号”号着陆器在南海4080m海底深度进行采样作业，取得保压的宏生物样品，采样器与培养装置实现了顺利对接与转移测试，转移过程中培养装置内部无压力降低，所取保压样品已分配给国内科研院所进一步分析，为本航次获取高质量保压样品提供了装备支撑；2023年12月，深海宏生物保压-培养系统搭载于“万泉Ⅱ号”号着陆器在菲律宾海盆7724m海底深度进行采样作业，取回了海底宏生物保压样品，为该海域海底宏生物物种分布及生存状况、深海环境变化、生命演化等科学研究提供宝贵的宏生物样品。

　　万步炎（团队带头人），男，二级教授，博士生导师，现任湖南科技大学海洋矿产资源探采装备与安全技术国家地方联合工程实验室主任/自然资源部海底地质钻探装备工程技术创新中心主任。现为十四届全国人大代表，获评中宣部“时代楷模”、国家卓越工程师、全国杰出专业技术人才、全国最美教师、湖南省先进工作者、湖南省第五届优秀专家，享受国务院政府特殊津贴。入选百千万人才工程国家级人选、国家“863”计划海洋技术领域主题专家组专家、蛟龙号载人潜水器试验性应用技术咨询专家组专家；是我国深海矿产资源钻探技术领域的开拓者和学术技术带头人，从事一线”计划、国家重点研发计划、国家长远发展项目（大洋专项）、省部级科研项目及横向项目50余项；以第一完成人获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、中国侨界贡献奖一等奖1项、湖南光召科技奖1项、省部级技术发明及科技进步一等奖3项；获授权专利160余件，其中美国、欧盟发明专利19件；发表学术论文70余篇。

　　金永平（通讯作者），男，博士，教授，博士生导师。现任海洋实验室/工程技术创新中心副主任。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金等20余项。获国家技术发明二等奖(排2)、全国博士后创新创业大赛银奖、湖南省技术发明一等奖湖南省科技进步一等奖各1项。授权发明专利76项，其中美国、欧盟发明专利18项，发表学术论文70余篇。

　　刘广平（第一作者），男，博士，副教授，硕士CQ9传奇电子 CQ9电子生导师。主持和参与国家重点研发计划课题、国家自然科学基金及省部级科研项目8项。在《Ocean Engineering》、《ASME-Journal of Pressure Vessel Technology》、《Frontiersin Marine Science》和中国机械工程等高水平期刊发表学术论文15篇、获授权专利24项，获第二届全国博士后创新创业大赛银奖、湖南省仪器仪表仪表学会科学技术奖一等奖等荣誉。

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