空氣孔底局部反循環(huán)電動(dòng)機(jī)械冰層取心鉆具研究

空氣孔底局部反循環(huán)電動(dòng)機(jī)械冰層取心鉆具研究無(wú)論是我們國(guó)家還是地球上其他地區(qū)都蘊(yùn)藏著豐富的冰川資源，冰川中所隱藏的信息，不僅對(duì)地球化學(xué)、微生物學(xué)、氣候?qū)W以及環(huán)境學(xué)，還對(duì)人類社會(huì)發(fā)展和對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)具有重要的科學(xué)意義和社會(huì)價(jià)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(guò)去的50多年里，科學(xué)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(jìn)時(shí)，現(xiàn)有鉆具存在著一定的局限性。冰川上層近64m——115m（與當(dāng)?shù)氐姆e雪累積率和溫度有關(guān)）的積雪和雪冰層中含有空隙，容易導(dǎo)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(huì)污染南極自然環(huán)境。再加上南極地處偏遠(yuǎn)、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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便操作和維護(hù)。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(dòng)機(jī)械冰層取心鉆具。該鉆具設(shè)計(jì)鉆深可以達(dá)到500m,它的成功研制與應(yīng)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(chǔ)，為更深入的研究極地提供可能。而且該技術(shù)不但可以在南極和格陵蘭島冰層鉆進(jìn)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(diǎn)，研究現(xiàn)有的國(guó)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(jì)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(yàn)臺(tái)，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(xué)軟件Fluent對(duì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證；進(jìn)而設(shè)計(jì)出鎧裝電纜式氣體局部反循環(huán)電動(dòng)機(jī)械冰層取心鉆具，并對(duì)鉆具進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)。不僅確定鉆進(jìn)工藝及一些最優(yōu)鉆進(jìn)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(dòng)機(jī)械取心鉆具的概念設(shè)計(jì)，然后計(jì)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(wèn)題，所以本文提出了氣體局部反循環(huán)電動(dòng)機(jī)械取心鉆具的概念設(shè)計(jì)。本鉆具能否成功，關(guān)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(yùn)移鉆進(jìn)過(guò)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(shí)踐法、最小動(dòng)能和最小速度標(biāo)準(zhǔn)、力學(xué)分析法、流體力學(xué)求解法和顆粒啟動(dòng)機(jī)理法，對(duì)鉆具中的氣體循環(huán)部分進(jìn)行理論分析，計(jì)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(dòng)力學(xué)方法，利用Fluent模擬氣體流速和極限真空度之間關(guān)系。理論分析方法雖然具有普遍性，但是它計(jì)算對(duì)象往往簡(jiǎn)單抽象化。為了彌補(bǔ)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(jì)算的準(zhǔn)確性，為下一步的試驗(yàn)測(cè)試提供理論依據(jù)。通過(guò)Fluent軟件實(shí)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(guò)程中的氣體流速越大，越能迅速及時(shí)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(jié)果，得知?dú)怏w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(guò)渡的方式，減小氣體循環(huán)過(guò)程中的壓力損失。(3)設(shè)計(jì)氣體局部反循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試驗(yàn)證氣體循環(huán)過(guò)程的可行性。試驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)、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(shí)還證明了當(dāng)鉆頭的水口高度大于60mm時(shí)，形成的氣流不能快速地?cái)y帶冰屑；當(dāng)鉆頭水口高度在60mm以內(nèi)，氣流可以迅速排渣清孔。(4)設(shè)計(jì)鉆具。設(shè)計(jì)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(dòng)部件和取心部件，其中重點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)。選擇出尺寸合適、耐低溫大功率電機(jī)，確定兩種變速器及其變速比，選擇高強(qiáng)度且能產(chǎn)生較大極限真空度、大小適當(dāng)?shù)膭?dòng)葉輪和密封問(wèn)題的處理。另外還設(shè)計(jì)了提升和下放鉆具的必要工具，傳輸動(dòng)力源、信號(hào)的采集回收必不可少的鎧裝電纜。(5)設(shè)計(jì)鉆具測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的一些參數(shù)。設(shè)計(jì)一套氣體局部反循環(huán)電動(dòng)機(jī)械取心鉆具的測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，在每年的冬天對(duì)鉆具進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)的成功說(shuō)明了該套鉆具能正常鉆探取心。試驗(yàn)證明了該套鉆具可以使用的兩種動(dòng)葉輪，以及每種動(dòng)葉輪能滿足鉆探需求的轉(zhuǎn)速范圍。試驗(yàn)還推導(dǎo)出動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)速與極限真空度的關(guān)系，動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)速和電機(jī)的輸出功率、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩以及最大鉆進(jìn)速度之間的相互關(guān)系。最后擬合各參數(shù)之間的趨勢(shì)關(guān)系線，獲得如下結(jié)論：一定范圍內(nèi)，電機(jī)的輸出功率越大，動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)速越大，其極限真空度也會(huì)變大，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩增加，最大鉆進(jìn)速度增加各參數(shù)之間呈線性遞增關(guān)系。通過(guò)對(duì)擬合線關(guān)系式的計(jì)算可知，所需的氣體流量不小于1.86m3/m