發(fā)布時間：2020-11-03 06:13

　　 無論是我們國家還是地球上其他地區(qū)都蘊藏著豐富的冰川資源，冰川中所隱藏的信息，不僅對地球化學、微生物學、氣候?qū)W以及環(huán)境學，還對人類社會發(fā)展和對自然界的認識具有重要的科學意義和社會價值。冰心數(shù)據(jù)已成為我們了解冰川的核心數(shù)據(jù)。在過去的50多年里，科學家和工程師們鉆取了許多的冰孔，采獲了大量的冰心。但是在積雪和雪冰層鉆進時，現(xiàn)有鉆具存在著一定的局限性。冰川上層近64m——115m（與當?shù)氐姆e雪累積率和溫度有關）的積雪和雪冰層中含有空隙，容易導致沖洗液漏失，一旦沖洗液漏失，沖洗液的消耗量不僅增加，而且還會污染南極自然環(huán)境。再加上南極地處偏遠、環(huán)境惡劣、供給困難，所以要求鉆具盡可能的輕便、低能耗、結構簡單、方便操作和維護。 本文研究了一種快速、輕便、高效、低能耗、易操作且能獲取冰心的環(huán)境友好型鉆具——空氣孔底局部反循環(huán)電動機械冰層取心鉆具。該鉆具設計鉆深可以達到500m,它的成功研制與應用，可以為后期的深部冰層鉆探以及冰下基巖鉆探打下基礎，為更深入的研究極地提供可能。而且該技術不但可以在南極和格陵蘭島冰層鉆進工作中使用，還可用于高山冰川勘探取樣工程、陸地凍土帶和海底天然氣水合物取樣鉆探中。 為研發(fā)該套鉆具，本文分析了極地冰川鉆探的特點，研究現(xiàn)有的國內(nèi)外冰川鉆探情況，尤其是淺層冰川取心鉆具的研究現(xiàn)狀，特別介紹了冰川鉆探中的空氣鉆。然后從理論上研究氣體反循環(huán)部分，計算氣體反循環(huán)所需最小氣體流速、最小氣體流量和極限真空度；建立氣體反循環(huán)試驗臺，獲得形成氣體反循環(huán)并攜帶顆粒所需的參數(shù)；再利用流體力學軟件Fluent對參數(shù)進行驗證；進而設計出鎧裝電纜式氣體局部反循環(huán)電動機械冰層取心鉆具，并對鉆具進行仿真模擬試驗。不僅確定鉆進工藝及一些最優(yōu)鉆進參數(shù)，最重要的是證明鉆具的可行性。 論文研究得到的主要成果如下： (1)提出氣體局部反循環(huán)電動機械取心鉆具的概念設計，然后計算氣體局部反循環(huán)所需的最小氣體流速、最小流量和極限真空度。 由于現(xiàn)有的淺冰層取心鉆探中使用的鉆具都或多或少的存在些許問題，所以本文提出了氣體局部反循環(huán)電動機械取心鉆具的概念設計。本鉆具能否成功，關鍵在氣體能不能形成局部反循環(huán)，反循環(huán)的氣體能否攜帶、運移鉆進過程中形成的冰屑顆粒至冰屑室中。本文從不同的角度考慮，采用5種方法：工程實踐法、最小動能和最小速度標準、力學分析法、流體力學求解法和顆粒啟動機理法，對鉆具中的氣體循環(huán)部分進行理論分析，計算所需氣體最小流速、氣體最小流量和真空度。從安全鉆探角度考慮，最終選擇氣體的最小流速為8.32m/s；最小流量為1.26m3/min；極限真空度為3.82kPa。 (2)采用流體動力學方法，利用Fluent模擬氣體流速和極限真空度之間關系。 理論分析方法雖然具有普遍性，但是它計算對象往往簡單抽象化。為了彌補了理論分析方法的缺陷，本文使用了CFD方法。利用Fluent模擬分析，證明了理論計算的準確性，為下一步的試驗測試提供理論依據(jù)。通過Fluent軟件實際鉆探模擬可知，氣體極限真空度越大，產(chǎn)生的抽吸力越大，循環(huán)過程中的氣體流速越大，越能迅速及時地排屑、洗孔，所以氣體的極限真空度至少要大于3kPa。從Fluent模擬分析的結果，得知氣體的壓力損失主要集中在流道截面積突變的地方。所以，在流道截面積突變的地方，采用平滑過渡的方式，減小氣體循環(huán)過程中的壓力損失。 (3)設計氣體局部反循環(huán)試驗臺，測試驗證氣體循環(huán)過程的可行性。 試驗結果證明了：氣體可以形成局部反循環(huán)，抽吸冰屑、清理孔底、冷卻鉆頭，氣體的流量滿足最小流量要求。氣體能夠在三四米長、直徑為110mm的模擬管中形成氣流，攜帶與冰屑顆粒物理性質(zhì)相似的、直徑為2mm左右的小米。同時還證明了當鉆頭的水口高度大于60mm時，形成的氣流不能快速地攜帶冰屑；當鉆頭水口高度在60mm以內(nèi)，氣流可以迅速排渣清孔。 (4)設計鉆具。 設計的鉆具包括5大部件：電纜終端、滑環(huán)部件、反扭系統(tǒng)、驅(qū)動部件和取心部件，其中重點是驅(qū)動部件的設計。選擇出尺寸合適、耐低溫大功率電機，確定兩種變速器及其變速比，選擇高強度且能產(chǎn)生較大極限真空度、大小適當?shù)膭尤~輪和密封問題的處理。另外還設計了提升和下放鉆具的必要工具，傳輸動力源、信號的采集回收必不可少的鎧裝電纜。 (5)設計鉆具測試試驗臺，測量實驗過程中的一些參數(shù)。 設計一套氣體局部反循環(huán)電動機械取心鉆具的測試試驗臺，在每年的冬天對鉆具進行仿真模擬試驗。試驗的成功說明了該套鉆具能正常鉆探取心。試驗證明了該套鉆具可以使用的兩種動葉輪，以及每種動葉輪能滿足鉆探需求的轉速范圍。試驗還推導出動葉輪轉速與極限真空度的關系，動葉輪轉速和電機的輸出功率、電機的轉矩以及最大鉆進速度之間的相互關系。最后擬合各參數(shù)之間的趨勢關系線，獲得如下結論：一定范圍內(nèi)，電機的輸出功率越大，動葉輪轉速越大，其極限真空度也會變大，電機的轉矩增加，最大鉆進速度增加各參數(shù)之間呈線性遞增關系。通過對擬合線關系式的計算可知，所需的氣體流量不小于1.86m3/min，極限真空度應不少于740Pa，電機的最小輸出功率為885W。 由于理論分析、數(shù)值模擬和實驗測試的時候，忽略了一些參數(shù)和條件，使得本文的說服力打了一個折扣。所以，未來還需要優(yōu)選計算參數(shù)、優(yōu)化數(shù)值模擬、完善試驗過程。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：P634.5
【部分圖文】：

總面積約 57069 平方公里[6,10,11]，其中西藏的冰川數(shù)量多達 22468 條，面積達 28645 平方公里，如圖1.1 所示。圖 1.1 中國冰川分布圖[12]亞洲許多的大河(如黃河、長江、恒河、印度河)是由我國西部的冰川融化發(fā)源而來[13]，這些冰川融化水資源不僅能作為中國西北部干旱地區(qū)農(nóng)牧業(yè)用水，還能為人類的生活用水提供保障[14]，所以人們稱現(xiàn)代冰川為天然的“固體水庫”。1.1.2 鉆取冰心的重要性冰川學家們一直用冰川沉積、冰川雪線和冰川末端變化等來揭示氣候環(huán)境演化，因為冰川的生長發(fā)育和氣候條件的變化是分不開的。但是這些變化只能說明一些大概的事件特征,并不能詳細的表明具有一定分辨率的事件過程。因為冰川

吉林大學博士學位論文高強度鉆探過程中，應盡可能地減少科考人員的勞動強度，避免不必勞動，鉆探設備設計盡量簡單、方便組裝和操作[29]。綜上所述，要想鉆探工作順利進行，鉆探任務及時完成，極地冰川用須滿足快捷輕便、高效環(huán)保、能耗低、耐低溫、方便操作等特點[29]。冰川鉆探的研究現(xiàn)狀冰層取心具有悠久的歷史。150 多年以前，1841 年，冰川理論創(chuàng)始人之siz 為了測量冰層的厚度[49]，首次進行了冰層鉆進(LowerAar 冰川，)（圖 1.2）。

美國、丹麥、俄羅斯、法國、日本和德國等國家已經(jīng)在南極冰蓋鉆進了大量的深孔，如圖1.3 所示。圖 1.3 國際上使用的幾種冰鉆鉆具[50-52]2012 年 2 月 5 日，俄羅斯在南極的東方站（Vostok），采用 KEMS-132 鉆具成功的鉆進至 3769.3m，并順利穿透冰蓋，獲取冰下湖水樣[53-54]。這也是目前冰川鉆探中最深井。圖 1.4 為東方站鉆井示意圖。圖 1.4 為東方站鉆井示意圖 圖 1.5 美國 DISC 鉆具系統(tǒng)2006 年美國采用威斯康辛-麥迪遜大學設計的 DISC 電動機械鉆具(如圖 1.5所示)在南極西部冰蓋分水嶺（WAISDivide）完成 3331m 鉆孔。該鉆機系統(tǒng)采用
【參考文獻】

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本文編號：2868203