【摘要】：極地地區(qū)是一片神秘的大陸,不論是南極還是北極都是科學(xué)探索所需的知識寶庫。冰芯就像是打開寶庫的鑰匙,對于冰川學(xué)、氣候?qū)W、生物學(xué)等具有很高的研究價值。為了獲得冰芯,各國科學(xué)家們進(jìn)行了大量的科學(xué)鉆探,相繼開發(fā)了各種冰層取心鉆具。本文對冰層取心鉆具研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研、分析,結(jié)合了反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)特點,研究了一套效率高、鉆速快、操作方便的新型鉆具——空氣反循環(huán)冰層取心鉆具。鉆具設(shè)計鉆進(jìn)200m,該鉆具的研發(fā)和應(yīng)用,可以為南極區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造研究,深部冰層取心鉆探以及科學(xué)勘測孔鉆進(jìn)打下基礎(chǔ)。該技術(shù)可以在南極冰川鉆進(jìn),也可以在冰川凍土帶進(jìn)行鉆進(jìn)。本文以提高反循環(huán)鉆進(jìn)效率為目的,通過反循環(huán)運移計算和有限元數(shù)值模擬方法,確定了反循環(huán)鉆具的設(shè)計參數(shù)。借鑒已有的冰層取心鉆具的設(shè)計思想,設(shè)計并研究了空氣反循環(huán)試驗臺,獲得空氣反循環(huán)運移的工藝參數(shù);驗證冰層反循環(huán)鉆具工作的可靠性。為進(jìn)一步設(shè)計和優(yōu)化冰層空氣反循環(huán)鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù),提高鉆進(jìn)效率,獲取更好的冰芯提供重要的參考借鑒。論文研究主要得到的結(jié)論如下:(1)提出空氣反循環(huán)冰層取心鉆具的概念設(shè)計,對反循環(huán)運輸系統(tǒng)進(jìn)行理論計算,確定反循環(huán)效率的影響因素。鉆具的關(guān)鍵技術(shù)在于反循環(huán)的構(gòu)成,氣體能否攜帶冰芯、冰屑。通過流體力學(xué)求解法,對氣體反循環(huán)運輸和壓力損失等,算出所需最小的流量和速度。(2)對冰芯的卡斷進(jìn)行力學(xué)計算,并通過ABAQUS軟件對卡斷過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得到冰芯卡斷的數(shù)據(jù)。并結(jié)合鉆具設(shè)計,得到卡斷機(jī)構(gòu)的尺寸和中心通道的尺寸。建立冰芯卡斷實驗臺,得到實際冰芯被卡斷所需要的位移。(3)通過對冰芯和冰屑進(jìn)行反循環(huán)運移實驗,得出實驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行對比,得出中心通管道的內(nèi)徑對于運移速度的影響。結(jié)合卡斷結(jié)構(gòu)的設(shè)計,確定內(nèi)徑69mm的中心通道在大流量空壓機(jī)工作下的冰芯和冰屑的運移速度。將理論分析得出結(jié)果進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)與實驗數(shù)據(jù)有誤差,但也有很大的理論價值和參考意義。(4)使用CFD有限元分析應(yīng)用程序FLUENT,將反循環(huán)鉆具的空氣流道進(jìn)行仿真求解分析。研究鉆具內(nèi)部流速和壓力的關(guān)系分布,對反循環(huán)效果進(jìn)行分析。得出合適的反循環(huán)鉆具結(jié)構(gòu)。
【圖文】：

極地地區(qū)是一片極度嚴(yán)寒地區(qū)，南極和北極在地理位置上處于地球南北兩端,平均緯度在 66 .5°以上。地區(qū)常年被積雪覆蓋，是一片美麗的白色平原[1]。地球的南北兩極就像個冷庫一樣，，是地球表面常年最嚴(yán)寒的地方，談到全世界最冷的大陸區(qū)域，立刻就會想到南極大陸。北極地區(qū)有較適宜的地理環(huán)境，人們對于北極地區(qū)的資源探索已有很長時間。相對于北極而言，更為豐富的資源和能源存在于南極之中[2]，南極大陸（圖 1.1）有著世界上最大煤礦資源和油氣資源，是一個巨大的能源庫。南極區(qū)域是安詳?shù)沫h(huán)境，有著豐富的海洋生物(特別是南極磷蝦)和特別的陸地生物（如企鵝）。由于獨特的地理特性，地球中超過 72%以上重要淡水都存在于這里。南極大陸如同神秘的寶庫，但是經(jīng)歷過了上千萬年歲月洗禮，寶庫的四周已經(jīng)被厚達(dá)上千米的冰層覆蓋著。它在不斷沉睡著，但是又好像在期待著人們將它打開。

第一章 緒論的冰芯。他們又發(fā)現(xiàn)取出的湖水樣品中含有大量生物細(xì)胞，可以推斷出在著生物活動。這里與外界相隔離，十分寒冷，上面存在著 2000 米冰層壓力，生存環(huán)境相當(dāng)惡劣，但仍有許多生命在里面生存。這個發(fā)現(xiàn)證南極洲大陸主要是被凍實的厚厚冰層，但是有一個隱藏在冰封之地下面世界，里面也許會發(fā)現(xiàn)神秘的未知生命體。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P634.5

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本文編號：2592170