极地地区是一片神秘的大陆,不论是南极还是北极都是科学探索所需的知识宝库。冰芯就像是打开宝库的钥匙,对于冰川学、气候学、生物学等具有很高的研究价值。为了获得冰芯,各国科学家们进行了大量的科学钻探,相继开发了各种冰层取心钻具。本文对冰层取心钻具研究现状进行调研、分析,结合了反循环钻进技术特点,研究了一套效率高、钻速快、操作方便的新型钻具——空气反循环冰层取心钻具。钻具设计钻进200m,该钻具的研发和应用,可以为南极区域地质构造研究,深部冰层取心钻探以及科学勘测孔钻进打下基础。该技术可以在南极冰川钻进,也可以在冰川冻土带进行钻进。本文以提高反循环钻进效率为目的,通过反循环运移计算和有限元数值模拟方法,确定了反循环钻具的设计参数。借鉴已有的冰层取心钻具的设计思想,设计并研究了空气反循环试验台,获得空气反循环运移的工艺参数;验证冰层反循环钻具工作的可靠性。为进一步设计和优化冰层空气反循环钻具结构参数,提高钻进效率,获取更好的冰芯提供重要的参考借鉴。论文研究主要得到的结论如下:(1)提出空气反循环冰层取心钻具的概念设计,对反循环运输系统进行理论计算,确定反循环效率的影响因素。钻具的关键技术在于反循环的构成,气体能否携带冰芯、冰屑。通过流体力学求解法,对气体反循环运输和压力损失等,算出所需最小的流量和速度。(2)对冰芯的卡断进行力学计算,并通过ABAQUS软件对卡断过程进行数值模拟分析,得到冰芯卡断的数据。并结合钻具设计,得到卡断机构的尺寸和中心通道的尺寸。建立冰芯卡断实验台,得到实际冰芯被卡断所需要的位移。(3)通过对冰芯和冰屑进行反循环运移实验,得出实验数据并进行对比,得出中心通管道的内径对于运移速度的影响。结合卡断结构的设计,确定内径69mm的中心通道在大流量空压机工作下的冰芯和冰屑的运移速度。将理论分析得出结果进行对比,发现与实验数据有误差,但也有很大的理论价值和参考意义。(4)使用CFD有限元分析应用程序FLUENT,将反循环钻具的空气流道进行仿真求解分析。研究钻具内部流速和压力的关系分布,对反循环效果进行分析。得出合适的反循环钻具结构。