冰层热熔钻进机理及传热规律研究

Thermal drill bit is one of the key technologies to determine whether the thermal drill system can effectively work. This project proposes the research on mechanism and heat transfer law of thermal drilling in ice sheet in order to provide drill bit with high drilling efficiency and low power consumption for thermal drills in polar deep ice drilling. The optimal drill bit shape and drilling parameters can be confirmed through numerical simulation and experiments by revealing heat transfer mechanism among heat resource in the drill bit, drill bit, thin water film and ice sheet, analyzing the thickness, temperature and flow rate law of the thin water film between drill bit and ice sheet under various drill bit shape and drilling parameters and analyzing the influence of thin water film parameters on the temperature distribution of the drill body and drilling speed. The processing technology of thermal drill bit is studied to determine the thermal drill bit material, heating element type and distribution as well as the high pressure sealing technology and casting process of cable connectors; The thermal drilling test platform is to be built to research the drilling efficiency of drill bit with various combinations of different structural parameters, drilling parameters and ice properties in order to obtain the influence of each parameter on the drilling efficiency. The experimental results can be used to revise and improve the theoretical model and to provide theoretical and scientific basis for the application of thermal drill bit.

热熔钻头是决定热熔钻系统能否有效钻进的关键技术之一，本项目以为极地深冰层热熔钻具提供高钻进效率、低功耗的热熔钻头为目标，针对冰层热熔钻进机理及传热规律展开研究。通过数值模拟和实验研究揭示热熔钻头加热源、钻头体、薄层水膜及冰层之间传热机制，分析在钻进过程中采用不同形状钻头和不同钻进参数钻进时热熔钻头与冰层间的薄层水膜厚度、温度、流速变化规律，分析薄层水膜参数对钻头体温度分布及钻进速度的影响关系，确定最优的钻头体形状及钻进参数；对热熔钻头的加工制作工艺进行研究，确定热熔钻头材料、加热元件类型和布置形式及线缆接头高压密封技术，浇铸工艺流程；建立热熔钻进实验平台，对不同钻头结构参数、钻进参数、冰性质组合条件下热熔钻头的钻进效率进行实验研究，得出各参数对钻进效率的影响规律，并利用实验结果修正和完善理论模型，为指导热熔钻头的应用提供理论基础和科学依据。

热融钻系统是服务极区冰盖或冰川物质平衡观测和实现冰下湖无污染取样的重要手段，热融钻头是热融钻系统融化冰层的能量来源，是决定钻具系统钻进效率和钻进能力的关键。本项目通过数学建模、数值模拟和物理实验的方法，探讨了热融钻头—融水—冰层之间的传热机理，揭示了钻头结构参数和钻进参数对冰层热融钻进过程的影响。首先，建立了冰层热融钻进物理模型、热融钻头内部传热数学模型和冰层传热数学模型，分析了钻头、薄层水膜和冰层的传热特性，进而建立了冰层热融钻进过程传热过程数学模型。然后，基于COMSOL Multiphysics软件平台，采用一种分析法和数值法相结合的混合方法来求解冰层热融钻进传热数学模型，分别探究在恒温和恒功率条件下，钻头形状、钻头功率、钻压、冰层温度等参数对热融钻进过程的影响，量化了不同工况条件下，薄层水膜厚度、钻头外表面功率密度、薄层水膜内压力和流速、钻进速度、钻进效率、功率损失和冰层热扰动距离等参数，进一步揭示了热融钻头在恒温或恒功率条件下的传热规律，确定了钻头结构参数和钻进参数的最优匹配关系。最后，通过研制热融钻进试验台、孔周冰层温度场测量试验台，使用人工冻制冰样和不同结构参数的热融钻头，在不同钻进参数条件下，通过物理钻进实验评估了钻头形状、钻头材料、钻头功率、钻压和冰温等因素对热融钻进过程的影响，探究了热融钻进过程中和钻进结束后的孔周冰层温度场分布特征。此外，本项目还对加热丝浇铸型和加热棒插入型两种类型热融钻头进行了设计和加工，形成了热融钻头的制备工艺，并通过冰层钻进试验验证了两种钻头在纯冰和含灰尘冰中的钻进效果。通过本项目的研究，基本摸清了热融钻进过程中的传热机理，得出了一套切实有效的热融钻头设计方法，为不同情景下热融钻系统的广泛应用奠定理论基础。