一、冰川-Ⅰ型热水钻的研制及其应用（论文文献综述）
邢呈巍[1]（2020）在《南极冰架热水钻除水系统试验研究》文中提出当今国际,大气环境与气候的变化时刻影响着人类的生产及生活。极地冰川是一个相关联的全球系统的重要组成部分,对冰川进行科学研究和长期观测不仅可以帮助人类了解古气候、古地质历史信息,而且可以帮助人类有效应对剧烈的气候变化过程及避免冰川灾害对人类生产生活造成的影响。在极地地区,可以通过钻探技术获取冰芯,从而研究观测冰层内部结构,分析古气候变化,或者快速钻孔,在孔内放入测井设备测量冰架结构、温度、压力、冰架基底滑移速度等数据并拍摄影像,从而更好地开展对冰架底部物质循环过程的研究监测。目前,极地地区使用的常规冰层钻进方法有电动机械钻、热熔钻和热水钻。其中热水钻探技术是一种通过加热器及高压泵,产生高温高压热水,利用其高压强,高温度对冰层进行快速破碎及融化。热水钻技术目前为止是最快的冰层获取钻孔的方式,对极地冰盖冰川学的研究具有重要意义。热水钻利用冰川的冰雪融水进行钻进,无需使用钻井液,从而有效的避免了因为使用钻井液而产生的环境污染问题,可以有效保护南极生态环境。热水钻快速获取钻孔的特性,对南极科考来说是至关重要的,也是冰架底部物质交换观测、海洋-冰架相互作用监测、冰架内部温度及结构研究、冰流移动速度测量、冰架下湖（海）连接通道获取等多种科学研究获取大直径钻孔最常用的手段。然而热水钻钻进结束或停止后,需要立刻排出主绞车输水软管内残留的热水,否则,由于南极的极端低温气候,输水软管内残留的热水将会逐渐冷却并冻结,水在冻结过程中由于密度、体积的变化会施加巨大的冻胀力作用在输水软管内,从而导致输水软管破裂。因此,研发高效可靠的输水软管除水系统及方法对于保障热水钻成功实施非常必要的。本论文对目前国内外热水钻进技术的发展及应用进行了简要介绍,并且根据热水钻钻具特点,并借鉴国外热水钻除水经验,设计试验了一套全新的热水钻除水系统,确定了除水系统进行除水作业的具体方法,并进行试验测试。该除水系统包括动力装置、收放装置和防冻装置三部分。根据流体力学,对热水钻绞车软管内水体流动产生的沿程损失进行了理论计算,初步确定了软管长度、内径、弯曲半径、水体流速、沿程损失等相关参数,得出了软管长度越长,水体流速越大,软管直径越小,弯曲半径越小,沿程损失越大的结果。计算出了不同流量的水体流经软管时所产生的沿程损失,确定了除水系统动力装置空气压缩机所需压力的最小值为0.79MPa左右,故而分别选取0.8MPa,1m3及3MPa,1m3的两种空气压缩机进行测试。并对比单独使用空压机输送高压空气做动力及与转动绞车水体自身重力做推力相结合的两种不同方法进行室内及室外试验,从而得出以下结论:（1）单独使用空气压缩机输送高压空气时,虽然高压空气可以推动部分水体排出,但仍有大量水残留在软管内,这是由于软管呈螺旋状均匀缠绕在绞车上,当大部分水体排出后,仍有部分剩余水体聚积在软管底部,当高压空气推动该一截软管内聚积的水体向上运动时,随着水体的升高水量增大,其重力也逐渐增大,当其重力大于高压空气产生的推力时,部分水体回落,产生空隙,致使部分高压空气前进至下一段软管中,而原软管内水体逐渐减少,直至水量无法形成充满软管的水柱,最后这一截水柱在高压空气及重力作用下在输水软管内上下往复运用,如此循环,造成除水不够彻底;（2）单独使用绞车转动除水时,其除水效果较差,只能排出少量水体,增大/较小绞车转速对除水作业没有明显的帮助,故而此方法不适用于大型热水钻系统除水作业。（3）通过空气压缩机输送高压空气与转动绞车相结合的方式进行热水钻除水作业效果良好,这是由于水体在高压空气的推力下进行运动,其产生的力大于软管与水体之间的摩擦力及水体回流作用产生的沿程损失,软管转动时,水体不再需要爬升,继而水体自身重力不再阻碍水体前进,从而可以除水完全,通过试验测得初步除水作业仅需1.2小时,总体除水时间为2.7小时。（4）初步除水作业完成后,向绞车软管内泵送防冻液可有效防止残留水滴冻结对钻具造成的意外损伤,保护钻具及软管,并确定水体是否被排出干净。通过对南极冰架热水钻除水系统的试验研究,发现本文所提出的新型除水方法,其在结构上减少了大型设备的笨重,操作上方便快捷,除水速度快且彻底,节约能源,并且更加环保,可以满足南极现场的要求。
刘本坤[2]（2020）在《新一代南极冰下基岩钻测控系统设计与实现》文中研究指明南极作为一块最古老的大陆板块,目前世界上尚未有任何国家在南极甘布尔采夫冰下山脉实施基岩钻探并获取完整的基岩样本,为更好的探索极地,研发一套基岩取芯设备并成功获取南极基岩样本,将对揭示极地冰盖形成及演化机制、重建地球古气候模型、探索古老地球生命形态、探究冰盖底部复杂结构及冰下地质学的研究奠定基础。本文先对基岩钻探对于研究地球生态和地壳运动等具有重大科学意义和价值进行介绍,并结合国内外研究的现状和发展趋势以及极地基岩钻探目前面临的技术难点引出本文研究的内容,对国内外现有的技术进行改进,并设计出新一代南极冰下基岩钻测控系统,该系统可配合钻具、绞车等设备相配合,实现钻穿冰盖,直接获取甘布尔采夫山脉基岩样品。本文前面介绍了基岩钻项目的设计框架,根据基岩钻项目在南极实际需求,根据具体参数分析并设计出相对应的方案。本文所涉及的随钻测控系统主要分为五部分来介绍该项目的组成,依次是冰面基地监控系统,数据传输总线组成网络系统,嵌入式操作系统,基岩随钻测控系统以及电力供应与能量转换系统。并分析了与初代方案的优缺点和相对应的解决方案。本文后面介绍了在初级研发阶段随钻测控系统的硬件设备调试、功能实现调试、随钻测控系统的低温测试以及总线通讯功能测试;中期阶段和吉林大学研发团队联合功能调试,其中针对负载功率不够这个问题进行供电系统的优化改进以及随钻测控舱的调整,并对基岩钻整套设备进行联合调试并估测南极实地实验的可行性;后期阶段主要介绍了南极实地钻探实验的详细进度钻取结果。2019年2月南极深冰基岩钻探的成功试钻并获取粒雪芯、冰芯、基岩芯等样本,成功验证了本文设计的基岩随钻测控系统的可行性与可靠性,同时也标志着我国自主研发的极地冰盖及冰下基岩取芯钻探装备拥有极地深冰及冰下岩钻探技术能力,标志着我国在该领域的自主研发能力达到国际先进水平。
梁素云[3]（1983）在《冰川-Ⅰ型热水钻的研制及其应用》文中研究表明 热水钻是利用锅炉生产的热水,通过绝热性能较好的橡胶布夹层管,经变径增压喷头将承压热水喷向冰层,利用热动能将冰融化钻进,从而完成在冰川上钻孔。我们参考了国外有关热水钻的资料,于1982年自行设计了冰川-Ⅰ型热水钻,经现场试验在冰川上钻深达到109.91米,最高钻速27.27米/小时,计算最大钻深可达130米。
刘刚[4]（2019）在《热水钻融冰过程及钻进系统研究》文中研究说明作为目前世界范围内钻进速度最快的冰层钻进方法之一,热水钻被广泛用于冰架下部冻融过程的观测、冰下沉积物取样、冰层物理结构研究、温度测量、冰层蠕变研究、冰下基底滑移速度测量、冰下湖连接通道的获取、宇宙中微子的捕捉以及一些其它的科学目的。本文的主要目的是进行热水钻进系统的理论研究,建立主要钻进参数（热水流量、输送压力和温度）、可控结果变量（钻孔直径、钻进速度、油耗和钻孔冻结速度）和独立变量（目标钻进深度和冰层温度）之间的关系。本文对目前国内外热水钻进技术的研究意义和现状进行了归纳总结,详细介绍了现今在高山冰川和极地冰层钻探中应用最为广泛的冰层钻探方法——热水钻,并认识到我国在热水钻技术的应用和理论研究上的严重匮乏,尝试解决热水钻融冰过程理论研究不足的问题,对热水钻进过程进行数值模拟,并研发了一套浅层热水钻进系统。论文研究得到的主要结论如下:（1）本文通过建立热水钻融冰过程理论模型,发现:较高的流量和温度能够在钻进时实现更大的钻进速度和钻孔直径。对于中深层热水钻系统来说,沿程压力损失在热水输送压力中占决定性作用,而沿程压力损失由软管长度、软管内径和流量决定;相对来说,为了实现热水对孔底冰层的充分接触,局部压力损失在浅层热水钻系统中往往更加重要。钻孔的冻结时间取决于冰层温度和初始钻孔直径。（2）本文使用显热容法对热水钻融冰过程进行数值模拟。通过数值模拟发现,在短时间的钻进融冰过程中,流量和温度对钻进速度的影响显着,而对钻孔直径影响较小。钻孔重新冻结的模拟结果与融冰过程理论计算结果相似。对0.3米的钻孔来说,若冰层温度为-30℃时,12 h后钻孔就几乎完全冻结;而当冰层温度仅为-10℃时,钻孔在72 h后依然没有完全冻结。（3）设计研发了一套浅层热水钻进系统,在极地冰盖或高山冰川进行浅层观测孔快速钻进中具有巨大的应用价值。浅层热水钻系统由四个子系统构成:水体加热系统,主体是高压热水清洗机,可以产生温度范围为80-155℃、流量范围为4–10 L/min的热水,并以不超过14 MPa的最大压力输出;水体输送系统,包括卷扬、高压软管和地面管路及阀门等;钻具系统,包括钻塔、配重和喷嘴;测控系统,包括测控箱及编码器、温度传感器、压力传感器、水压表、流量计、内径百分表等传感器或仪表。（4）浅层热水钻进系统整体工作良好。系统在使用1.8 mm、2 mm和2.5 mm单孔喷嘴时,钻进比较顺利,而大孔径喷嘴（3 mm喷嘴）产生了较大直径的钻孔但钻进速度非常小。在使用10 L/min流量和60℃热水喷射温度时,使用1.8mm和2 mm喷嘴以34-37 m/h的最大钻进速度进行钻进,能够产生98-114 mm的钻孔;而使用2.5 mm喷嘴则在25 m/h的钻进速度下产生146-156 mm的钻孔。系统的最高热效率为83%,这是由于该钻孔的钻进速度达到29.5 m/h,同时钻孔深度仅为3 m。但在大多数钻孔中,热效率一般在67-76%的范围内。热量损失主要是热量导入周围冰层和空气中,以及加热器内燃料的不充分燃烧。（5）实验结果与热水钻融冰理论进行了对比分析。实验数据与参数理论预测的偏移基本都不超过7%（事实上,大多数实验数据要稍小于理论曲线）,个别实验点与参数理论预测的偏移达到了21%,误差的产生是由于实验中的观测误差和系统故障。但就总体而言,热水钻融冰理论模型能够准确预测热水钻系统的主要参数。
同懿[5]（2017）在《极地冰架热水钻测控系统研制》文中研究表明现如今,世界各国都在关注南极,在南极地区展开的研究也非常多面,而在冰架与大洋相互作用方面的研究,最大的突破口就是如何利用现代科学技术开发出一套冰架热水钻探设备钻透几千米厚度的冰架,并通过冰洞把相应的海洋冰川观测设备放在冰架底部展开持续性的观测工作。本文结合课题来源背景,分析了国内外研究现状,设计并实现了一种冰架热水钻测控系统。该系统主要分为冰面测控中心、冰面分布式监测系统和随钻测控系统三个部分。冰面测控中心主要用于实时接收、显示系统的关键参数并对设备发出远程命令;冰面分布式监测系统由多个设备上的传感器以及MODBUS总线设备构成;随钻测控系统是基于STM32F103单片机的嵌入式系统,主要完成钻头中数据的采集、传输以及对电磁阀的控制等工作。论文的主要内容由5个部分组成:系统相关原理介绍、系统方案设计、系统硬件设计、系统软件设计和系统调试。综合热水钻工作原理及其项目中将要用到的理论知识,本文首先确定了系统总体方案,并将总体方案划分为多个子方案进行设计,然后详细介绍了系统的软硬件设计。该论文中硬件设计分为钻头机械结构的设计和电路的设计,其中电路设计是以微处理器为核心,并配以采集、控制和通信的嵌入式电路设计。系统软件设计分为嵌入式软件设计和冰面测控软件设计,嵌入式软件部分定义通信协议并根据功能的不同设计了模块化的程序;冰面测控软件完成了对冰面分布式监测系统和随钻测控系统参数的实时图形化显示、控制等功能。最后对系统的调试工作进行了详细的描述。本文研制出了一套用于冰架热水钻项目的测控系统,该系统已经在实验室内完成了功能调试和高低温测试,测试结果表明该系统可以稳定可靠工作,此外随钻测控系统和冰面分布式监测系统分别已经在车间内和场地中完成验收,整套系统将在吉林长春进行模拟测试。
王如生,达拉拉伊,李院生,刘刚,陈宝义,杨阳[6]（2015）在《国际冰层热水钻研究进展与面临的挑战》文中指出热水钻就是一种用从喷嘴喷射出来的高速热水射流,冲击和融化冰（雪）层的钻进方法。通过热水钻在南极冰川（架）上快速钻进大直径钻孔,对监测冰架物质平衡,捕捉空间粒子,寻找古生物的生命形式,研究地质时期环境气候特征以及推测冰盖及其冰架的演化历史,具有十分重要的意义。热水钻系统主要由主孔钻进系统、副孔抽水系统、热水加热系统、水体循环系统、控制系统、软管腔内除水系统六大部分构成。热水钻可以根据孔深、孔径和加热器功率进行分类。本文在分析国际热水钻研究现状的基础上,提出了中国热水钻研究进展与面临的诸多挑战,问题主要存在于泵压、泵量、热水温度、喷嘴结构等钻进参数如何对钻进速度、钻孔直径产生影响,并提出了相应的理论和实验研究对策。
刘安[7]（2018）在《南极冰架热水取芯钻具设计及实验研究》文中进行了进一步梳理全球大约有11%的陆地面积被冰层所覆盖。这些冰层储存了地球75%左右的淡水资源,蕴含了大量的信息,包含地球能量资源储藏、水文循环、大气和海洋环流、气候变化、地壳流变和海平面提升等等。而南极冰川则占到了地球冰量的90%,在南极冰川上的一些细微的变化都将对全球环境产生深刻的影响。冰架是指大陆架相连的冰体延伸到海洋的那部分,主要分布在冰川的边缘,与大洋相连。极地地区是全球冷源地,而大洋则具有无与伦比的广袤性,他们分别在全球气候系统内演绎着极其重要的角色。因此,为了从科学上阐明气候变化机制,两极和大洋的观测至关重要,冰架作为连接大洋和冰盖的纽带,则成了研究的关键所在。冰盖-冰架-海洋相互作用研究成为全球变化研究的热点问题。被誉为“南极之芯”的冰芯蕴藏着地球气候变化的秘密,是研究冰川气候问题的最有效手段。如何在冰架上快速高效的钻取冰芯,是一个具有重要研究意义的科学问题。本论文首先介绍了冰芯钻探的发展状况,对各种冰芯钻探技术进行详细论述,并针对冰架研究问题的特点,确定了热水取芯钻为冰架冰层取芯的主要方法。并且借鉴国外热水取芯钻具经验,结合热水钻的特点,设计了一套全新的热水取芯钻具,确定了钻具的具体尺寸参数,并加工成型。该钻具包括扩孔器与取芯舱两部分,取芯舱长3m,外径130mm,内径96mm,36个直径1mm喷嘴呈环状分布。利用能量守恒公式,对热水流量和热水温度对钻进速度的影响进行了理论分析,建立了相应的模型,初步确定了钻速与流量和温度之间的关系:对于相同的流量,热水温度越高,钻进速度越快;相同的热水温度,流量越大,钻进速度越快。并计算了实际南极现场条件下,热水到达孔底的温度,从而将试验温度因素控制在50℃至70℃之间,利用流体力学知识计算出了在流量为60L/min的时候,钻具的压力损失约为4.3MPa,为高压泵的选型提供了参考依据。随后在理论研究的参考下,利用吉林大学极地研究中心已建成的模拟极地环境的低温多功能实验室,设计建立了一套专门用于热水取芯钻进的实验系统,能够实现对钻进速度、热水温度、热水流量、天车压力、钻进深度等各种参数的检测,并对设计的取芯钻具展开了实验研究,研究各钻进参数之间对钻进速的影响,实验结果表明:在相同的流量情况下,钻进速度随着温度的上升有明显增加,最高速度可达27.8m/h;且对于取芯钻进而言,70℃热水温度过高,不能采用,采用50℃热水时获得的冰芯质量普遍较好,最大直径为59mm。对比实验结果和理论模型,发现虽然理论模型与具体实验情况不能完全吻合,但是实验测得的曲线与理论分析的曲线有着相同的变化趋势,其误差最大为12%,最小为6%,证明该理论模型仍有一定的参考意义,可以作为实际现场实验的参考依据。
刘安[8]（2021）在《冰层热水钻环状多喷嘴对钻进速度及冰芯质量影响机制研究》文中指出南极冰盖是地球上最大的水库和冷源,其动态变化过程将会对海平面上升以及全球气候变化产生重要的调节作用,对人类生活产生重要影响。冰盖的动态变化在很大程度上由冰架的物质平衡决定,冰架底部由于受到海洋热通量影响发生冻融以及崩裂,导致南极冰盖物质通量产生巨大变化,因此冰架底部与海洋的相互作用过程研究是极地研究领域的前沿科学问题。热水钻进技术被视为研究该过程的最有效技术手段,热水非全面取芯钻进不仅可以利用多喷嘴取芯钻头获取冰芯,还可以利用多喷嘴取芯环快速获得环状通道,释放冻结的海洋观测仪器或者钻具。当前热水取芯钻进取芯钻头获得的冰芯质量较不稳定,且用于获得环状通道的取芯环钻进速度较慢,为了优化热水取芯钻具使其满足获取高质量冰芯或者更快钻进速度需求,更好地服务于极地科学研究,本文对取芯钻具的核心部分环状多喷嘴对于钻进速度以及冰芯质量的影响机制展开了系统研究与深入分析。本文以探究多喷嘴参数对于钻进速度及冰芯质量的影响规律为研究目的,首先利用传热学知识确定了影响钻进速度及冰芯质量的主要因素,随后进行了不同因素形成的环状射流对孔底冰层及冰芯的传热效率影响规律理论研究。基于理论研究内容,利用数值模拟分析软件展开了环状射流对孔底冰层及冰芯的传热量影响规律模拟研究,初步获得了不同因素对于冰层传热量的影响规律。最后利用冰层取芯钻进试验研究方法对影响规律加以佐证,最终确定了不同影响因素对钻进速度及冰芯质量的影响机制,并据此设计了一套小型热水钻融冰系统应对项目应用需求。论文的主要研究成果如下:1.从传热学角度对冰层热水取芯钻进过程进行了分析,阐述了冰层热水取芯钻进的发生原理是由于环状多喷嘴射流对不同区域冰层对流传热量不均匀,各部分冰层发生不同程度的融化而产生取芯钻进,明确了环状射流对于孔底冰层的传热属于射流冲击式对流传热,而对于冰芯的传热属于管槽式对流传热,确定了影响钻进速度及冰芯质量的主要因素在于环状多喷嘴的喷嘴高度、喷嘴数量、喷嘴直径、喷嘴角度、喷嘴流量以及喷嘴出水温度;2.利用不同形式包括射流冲击式以及管槽式对流传热理论,采用单一变量法分析并确定了不同因素对于热水与孔底冰层以及冰芯之间传热效率的影响:喷嘴与冰层距离越接近,热水对孔底冰层的传热效率越高,且喷嘴高度对传热效率的主要影响范围是离滞止点较近的区域;钻进流量的增加以及降低钻头厚度都能够帮助提高热水对孔底冰层的传热效率;喷嘴直径增加及喷嘴数量的增大会降低热水对孔底冰层的传热效率;喷嘴角度的增大会降低热水对孔底冰层的传热效率,但是适当地增加喷嘴角度会减少热水对冰芯的影响,喷嘴的最佳角度在15°左右;增加冰芯管长度会降低返流热水对冰芯的传热效率,但是该影响在一定长度之后减弱,而更大的长度也会增加运输成本、操作难度等。因此对于实际钻进而言,取芯管的设计长度应至少在1.5m以上,具体长度需综合考虑钻进地点距离、现场人员工作经验等因素确定;3.通过CFD数值仿真软件ANSYS Fluent对不同因素形成的环状射流对于冰层传热量的影响进行了模拟研究,对不同因素下热水与孔底冰层以及冰芯的传热量模拟结果变化趋势进行了分析,总结得出的不同因素对传热量的影响规律有:热水对孔底冰层的传热量随着喷嘴直径增加、喷嘴数量增多、喷嘴角度增大而降低,随着喷嘴流量增大而升高;而热水对冰芯的传热量随着喷嘴直径增加、喷嘴流量增大而升高,随着喷嘴数量增多、喷嘴角度增大而降低;4.根据不同因素组合设计加工了相对应的九种多喷嘴钻头,设计并搭建了冰层热水取芯钻进试验平台,进行了27次取芯钻进试验,对不同钻头的钻进速度和获得的冰芯直径数据进行分析,发现:喷嘴直径与钻进速度及冰芯质量呈负相关关系,当喷嘴直径从1 mm增加至2 mm时,钻进速度从14.1 m/h降至10.5m/h,冰芯直径从70.5 mm减少到65.8 mm;喷嘴数量增多虽然会降低钻进速度,但是能有效提高冰芯质量,当喷嘴数量从24个增加至60个时,钻进速度从11.2m/h降至7.6 m/h,冰芯直径从69 mm增加至74 mm;喷嘴角度增大会明显降低钻进速度,但对于冰芯质量而言,并非角度越大质量越高,当喷嘴角度从0°增大至30°,钻进速度从20 m/h降低至5 m/h,冰芯直径在喷嘴角度在15°附近时出现峰值;喷嘴流量增大会提高钻进速度,但是会降低冰芯质量,当流量在40L/min增加到100 L/min时,钻进速度从7.6 m/h上升至11.8 m/h,冰芯直径从72mm下降至67.5 mm;在所有影响因素中,喷嘴角度对钻进速度及冰芯质量的影响最为显着;5.基于多喷嘴参数对于钻进速度及冰芯质量的影响规律,设计研发了一套针对项目需求、具有极地应用价值的小型热水钻融冰系统,系统主要由动力系统、地表绞车、钻具组成,动力系统包括高压泵、加热器,能够提供流量范围在25L/min、压力范围在0-22MPa、温度不低于90℃的热水,钻具包括全面钻进钻具以及取芯环,取芯环内外径为210/222 mm,底部喷嘴角度为0°,直径为1 mm,数量共45个,该参数由获得的影响规律确定;在吉林大学复杂条件钻采实验室内进行了初步测试,验证了系统各部分正常工作,为后期在南极现场应用积累了操作经验。
周巧娣,同懿,余小非[9]（2017）在《极地冰架热水钻钻头测控系统研制》文中认为针对冰架热水钻在南极极端条件下的应用,设计并实现了一套南极冰架热水钻钻头测控系统。该系统以STM32微处理器为核心,结合RS485远程通信,实现了钻头温度、压力、位移、姿态、声学孔径等参数的实时获取,并能够通过对随钻换向舱内的高压水流电磁阀进行控制实现射流方向的切换。测试结果表明,系统能够在高低温条件下稳定可靠地工作,满足在南极工作的需求。
营方全[10]（2018）在《极地冰下基岩钻探测控系统研制》文中认为近年来,关于地球南北两极大陆板块的形成与演化过程、古气候环境变化等科学问题一直困扰着众多极地科考领域的科学家们,这些问题的解决对我们掌握极地的地质结构以及大陆板块构造格局的演变,进而打开人们通向古气候和古环境变化的大门具有重要的科学意义,通过基岩钻探钻取的极地冰下基岩岩芯是解决上述谜团的“金钥匙”。本文深入分析国内外研究现状及发展趋势,通过对国内外现有技术的改进,设计并实现了一种冰下基岩钻探测控系统,该系统可与钻具本体相配合,实现钻穿甘布尔采夫山脉地区冰盖,进而直接获取冰下基岩样品。本文首先对极地冰下基岩钻探系统进行总体概述及各子系统介绍;其次介绍测控系统的设计要求和方案设计,该系统包含冰面测控系统、随钻测控系统和电能与数据传输系统三个部分。冰面测控系统主要用于实时接收并显示冰面设备和随钻测控系统的关键参数并实现对相应远程命令的下传;随钻测控系统完成钻进过程中对随钻参数的采集、传输等工作;然后介绍了系统硬件设计,该部分以STM32F103单片机为核心,包括电源电路、主控电路、数据采集电路和通信电路等;系统软件设计部分介绍了人机交互界面、数据采集处理和数据库功能。最后对测控系统进行一系列调试。最后,本文研制的冰下基岩钻探测控系统,已经在实验室完成相关功能测试及车间模拟平台测试,测试结果证明系统具备稳定性和可靠性,后续将在长春对所有设备进行整体联合测试。
二、冰川-Ⅰ型热水钻的研制及其应用（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、冰川-Ⅰ型热水钻的研制及其应用（论文提纲范文）
（1）南极冰架热水钻除水系统试验研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 研究背景及意义 |
| 1.2 热水钻除水系统研究现状 |
| 1.3 本文主要研究内容 |
| 第2章 南极冰架热水钻除水系统设计及理论参数研究 |
| 2.1 总体设计 |
| 2.2 热水钻除水系统参数理论研究 |
| 2.2.1 沿程损失的计算 |
| 2.2.2 空气压缩机压力的选择 |
| 2.3 本章小结 |
| 第3章 南极冰架热水钻除水系统结构设计 |
| 3.1 热水钻联调联试 |
| 3.2 热水钻除水系统构成 |
| 3.2.1 动力装置 |
| 3.2.2 收放装置 |
| 3.2.3 防冻装置 |
| 3.3 本章小结 |
| 第4章 热水钻除水系统试验研究 |
| 4.1 试验方案 |
| 4.1.1 试验目的 |
| 4.1.2 试验方法 |
| 4.1.3 试验步骤 |
| 4.2 试验结果及分析 |
| 4.3 本章小结 |
| 第5章 结论与建议 |
| 5.1 结论 |
| 5.2 建议 |
| 参考文献 |
| 作者简介及科研成果 |
| 致谢 |
（2）新一代南极冰下基岩钻测控系统设计与实现（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题研究背景和意义 |
| 1.2 国内外研究现状 |
| 1.2.1 国外研究现状 |
| 1.2.2 国内研究现状 |
| 1.3 论文研究内容及设计目标 |
| 1.4 论文章节安排 |
| 1.5 本章小结 |
| 第2章 南极冰下基岩钻与随钻测控系统设计 |
| 2.1 南极基岩钻项目总体设计 |
| 2.2 随钻测控系统组成架构 |
| 2.3 基岩测控系统方案设计 |
| 2.3.1 岸基监控交互系统 |
| 2.3.2 数据传输总线组网系统 |
| 2.3.3 嵌入式操作系统 |
| 2.3.4 基岩随钻测控系统 |
| 2.3.5 电力供应与能量转换系统 |
| 2.4 本章小结 |
| 第3章 随钻测控系统硬件设计 |
| 3.1 随钻测控系统电路方案设计 |
| 3.2 随钻测控系统硬件电路设计 |
| 3.2.1 供电电路设计 |
| 3.2.2 MCU电路设计 |
| 3.2.3 ADC采集电路设计 |
| 3.2.4 流量、转速采集电路设计 |
| 3.2.5 钻具姿态采集电路设计 |
| 3.2.6 通讯总线电路设计 |
| 3.3 本章小结 |
| 第4章 随钻测控系统软件设计 |
| 4.1 随钻测控系统设计 |
| 4.1.1 嵌入式系统软件设计 |
| 4.1.2 钻具姿态数据采集 |
| 4.1.3 转速、流量数据采集 |
| 4.1.4 ADC模拟信号采集 |
| 4.1.5 通信总线协议设计 |
| 4.2 岸基监控软件设计 |
| 4.2.1 岸基监控交互界面 |
| 4.2.2 岸基监控软件框架 |
| 4.3 本章小结 |
| 第5章 系统联调与南极实验 |
| 5.1 随钻测控系统功能调试 |
| 5.1.1 随钻测控系统硬件测试 |
| 5.1.2 随钻测控系统低温测试 |
| 5.1.3 随钻测控系统通讯测试 |
| 5.1.4 随钻测控系统组装测试 |
| 5.2 长春模拟低温环境联调 |
| 5.2.1 随钻测控系统钻机供电调试 |
| 5.2.2 随钻测控系统整体功能调试 |
| 5.2.3 低温钻井平台模拟综合调试 |
| 5.3 南极实地钻探实验 |
| 5.3.1 南极考察以及准备物资 |
| 5.3.2 南极基岩钻探项目任务 |
| 5.3.3 南极基岩钻探任务进展 |
| 5.3.4 南极基岩钻探实验结果 |
| 5.4 本章小结 |
| 第6章 总结与展望 |
| 6.1 总结 |
| 6.2 展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 附录 作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目 |
（3）冰川-Ⅰ型热水钻的研制及其应用（论文提纲范文）
| 一、设计原理 |
| 二、现场试验 |
| 三、热水钻法的评价与改进 |
（4）热水钻融冰过程及钻进系统研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 选题依据 |
| 1.2 热水钻进系统国内外研究现状 |
| 1.2.1 热水钻系统简介 |
| 1.2.1.1 热水钻系统构成 |
| 1.2.1.2 水体加热系统 |
| 1.2.1.3 水体输送系统 |
| 1.2.1.4 钻具系统 |
| 1.2.1.5 供水系统 |
| 1.2.1.6 测控系统 |
| 1.2.1.7 辅助系统 |
| 1.2.2 国外研究现状 |
| 1.2.3 国内研究现状 |
| 1.3 研究内容及技术路线 |
| 1.3.1 主要研究内容 |
| 1.3.2 技术路线 |
| 第2章 热水钻融冰过程理论研究 |
| 2.1 钻进参数理论研究 |
| 2.1.1 热水钻系统所需流量 |
| 2.1.2 管路输送压力 |
| 2.1.3 热水加热温度 |
| 2.2 热水钻系统可控结果变量 |
| 2.2.1 平均钻孔直径和钻进速度 |
| 2.2.2 功率与油耗 |
| 2.2.3 钻孔冻结速度 |
| 2.3 本章小结 |
| 第3章 热水钻融冰过程数值模拟研究 |
| 3.1 热水钻融冰的物理过程分析 |
| 3.2 模型的选取 |
| 3.2.1 相场法 |
| 3.2.2 动网格法 |
| 3.2.3 显热容法 |
| 3.3 热水钻融冰模型的建立 |
| 3.3.1 湍流模型的选取 |
| 3.3.2 建立几何模型 |
| 3.3.3 初始条件和边界条件 |
| 3.4 数值模拟的结果和讨论 |
| 3.5 浅层热水钻进系统融冰过程数值模拟 |
| 3.5.1 浅层热水钻进系统模型的建立 |
| 3.5.2 模拟结果与讨论 |
| 3.6 钻孔重新冻结的模拟 |
| 3.7 本章小结 |
| 第4章 浅层热水钻进系统的设计 |
| 4.1 浅层热水钻的总体设计 |
| 4.1.1 水体加热系统 |
| 4.1.2 水体输送系统 |
| 4.1.3 钻具系统 |
| 4.1.4 测控系统 |
| 4.2 系统联接与调试 |
| 4.2.1 流量计的校正 |
| 4.2.2 压力传感器的校正 |
| 4.2.3 编码器与温度传感器的校正 |
| 4.2.4 系统联调联试 |
| 4.3 本章小结 |
| 第5章 浅层热水钻进系统实验研究 |
| 5.1 钻进参数的理论预测 |
| 5.2 实验研究过程 |
| 5.3 实验结果及其与理论模型的比较 |
| 5.4 实验结论 |
| 5.5 本章小结 |
| 第6章 结论与展望 |
| 6.1 论文主要结论 |
| 6.2 论文创新点 |
| 6.3 展望 |
| 参考文献 |
| 作者简介及在学期间取得的科研成果 |
| 致谢 |
（5）极地冰架热水钻测控系统研制（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题来源 |
| 1.2 课题研究背景和意义 |
| 1.3 极地冰架热水钻技术的国内外研究现状 |
| 1.4 本文的主要研究内容及主要工作 |
| 1.5 本章小结 |
| 第2章 系统相关原理介绍 |
| 2.1 热水钻工作原理 |
| 2.2 4-20 毫安信号采集原理 |
| 2.3 RS485通信的相关理论 |
| 2.3.1 RS485串行接口通信原理及其传输特性 |
| 2.3.2 RS485组网 |
| 2.4 MODBUS协议及其特点 |
| 2.5 CAN总线原理及其特点 |
| 2.6 本章小节 |
| 第3章 系统总体组成和测控方案设计 |
| 3.1 系统总体组成 |
| 3.2 课题设计目标和系统设计要求 |
| 3.3 系统测控方案设计 |
| 3.3.1 随钻测控系统方案 |
| 3.3.2 冰面视频监控方案 |
| 3.3.3 电能传输和数据传输方案 |
| 3.3.4 冰面分布式监测系统方案 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 系统硬件设计 |
| 4.1 钻头结构及流体管路设计 |
| 4.1.1 钻头结构 |
| 4.1.2 流体管路及流量压力损失计算 |
| 4.2 随钻测控系统电路设计 |
| 4.2.1 电源电路 |
| 4.2.2 核心电路 |
| 4.2.3 姿态传感器电路 |
| 4.2.4 模拟电流输入测量电路 |
| 4.2.5 继电器驱动电路 |
| 4.2.6 通信电路 |
| 4.3 本章小结 |
| 第5章 系统软件设计 |
| 5.1 随钻测控软件设计 |
| 5.1.1 随钻嵌入式软件框架 |
| 5.1.2 通信帧的定义 |
| 5.1.3 CAN通信模块 |
| 5.1.4 串口通信模块 |
| 5.1.5 模拟量采集模块 |
| 5.2 冰面测控软件设计 |
| 5.2.1 冰面测控软件框架 |
| 5.2.2 用户交互界面布局 |
| 5.2.3 数据处理流程 |
| 5.2.4 数据库功能 |
| 5.3 本章小结 |
| 第6章 系统调试 |
| 6.1 实验室调试 |
| 6.1.1 随钻测控系统裸板调试 |
| 6.1.2 冰面视频监控调试 |
| 6.1.3 RS485节点组网调试 |
| 6.1.4 高低温工作测试 |
| 6.2 子系统调试 |
| 6.2.1 随钻测控系统车间调试 |
| 6.2.2 冰面分布式监测系统场地调试 |
| 第7章 总结与展望 |
| 7.1 总结 |
| 7.2 展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 附录 |
（7）南极冰架热水取芯钻具设计及实验研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 研究背景及意义 |
| 1.2 冰芯钻探研究现状 |
| 1.2.1 常规回转取芯钻进技术 |
| 1.2.2 绳索取芯钻进技术 |
| 1.2.3 铠装电缆电动机械取芯钻进技术 |
| 1.2.4 电热融取芯钻进技术 |
| 1.2.5 热水取芯钻进技术 |
| 1.3 本文主要研究内容 |
| 第2章 南极冰架热水取芯钻具设计 |
| 2.1 总体设计 |
| 2.2 扩孔器 |
| 2.3 取芯舱 |
| 2.4 本章小结 |
| 第3章 热水取芯钻进参数理论研究 |
| 3.1 热水流量、温度对钻进速度的影响 |
| 3.2 热水由地表到孔底的温度降 |
| 3.3 钻具系统所需最小泵压 |
| 3.3.1 进水口及出水口局部压力损失模拟计算 |
| 3.3.2 导流管沿程损失计算 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 热水取芯钻具实验平台设计 |
| 4.1 低温多功能实验室 |
| 4.2 热水取芯钻实验原理 |
| 4.3 热水取芯钻实验系统构成 |
| 4.3.1 绞车系统 |
| 4.3.2 钻进系统 |
| 4.3.3 水体加热加压系统 |
| 4.3.4 水体循环系统 |
| 4.3.5 测控系统 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 热水取芯钻实验研究 |
| 5.1 实验方案 |
| 5.1.1 实验目的 |
| 5.1.2 实验方法 |
| 5.1.3 实验步骤 |
| 5.2 实验结果及分析 |
| 5.2.1 温度、流量对钻进速度的影响 |
| 5.2.2 温度、流量对冰芯直径的影响 |
| 5.2.3 实验结果与理论计算对比分析 |
| 5.3 本章小结 |
| 第6章 结论与建议 |
| 6.1 结论 |
| 6.2 建议 |
| 参考文献 |
| 作者简介及科研成果 |
| 致谢 |
（8）冰层热水钻环状多喷嘴对钻进速度及冰芯质量影响机制研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 选题依据 |
| 1.1.1 南极冰盖及冰架科学意义 |
| 1.1.2 热水钻进技术应用 |
| 1.1.3 取芯钻进冰芯质量及其钻进速度 |
| 1.2 热水取芯钻进国内外研究现状 |
| 1.2.1 热水取芯钻进获取冰芯 |
| 1.2.2 热水取芯钻进获取环槽通道 |
| 1.3 主要研究内容及技术路线 |
| 1.3.1 主要研究内容 |
| 1.3.2 技术路线 |
| 第2章 取芯钻进影响因素分析及单因素作用理论研究 |
| 2.1 冰层取芯钻进主要影响因素初步分析 |
| 2.2 不同因素对孔底冰层传热的影响规律 |
| 2.2.1 不同形式淹没射流的传热系数计算 |
| 2.2.2 喷嘴距冰层高度的影响规律 |
| 2.2.3 喷嘴流量的影响规律 |
| 2.2.4 喷嘴直径的影响规律 |
| 2.2.5 喷嘴角度的影响规律 |
| 2.2.6 喷嘴数量的影响规律 |
| 2.3 不同因素对冰芯传热的影响规律 |
| 2.4 本章小结 |
| 第3章 基于正交设计法的多因素综合作用模拟研究 |
| 3.1 多因素组合正交设计 |
| 3.1.1 正交设计方法简介 |
| 3.1.2 多喷嘴参数组合正交设计 |
| 3.2 不同因素组合对孔底冰层及冰芯传热量模拟 |
| 3.2.1 计算域模型建立 |
| 3.2.2 计算域模型前处理 |
| 3.2.3 计算设置 |
| 3.2.4 结果后处理 |
| 3.3 基于数值模拟的不同因素对于传热量的影响分析 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 冰层热水取芯钻进试验平台设计 |
| 4.1 取芯钻具整体设计 |
| 4.1.1 多喷嘴钻头设计 |
| 4.1.2 导流管及钻头连接端设计 |
| 4.1.3 热水进口端设计 |
| 4.1.4 冰芯管 |
| 4.2 冰层热水取芯钻进试验平台 |
| 4.2.1 低温钻探实验室简介 |
| 4.2.2 取芯钻进试验平台设计 |
| 4.2.3 试验平台所用仪器设备概览 |
| 4.3 钻具及试验平台初步测试 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 冰层热水取芯钻进试验研究 |
| 5.1 取芯钻进试验 |
| 5.1.1 试验方案 |
| 5.1.2 试验流程 |
| 5.1.3 试验结果 |
| 5.2 试验结果处理分析 |
| 5.2.1 各因素对钻进速度及冰芯质量的影响 |
| 5.2.2 各因素对取芯钻进综合效果的影响 |
| 5.3 试验数据与理论、数值模拟结果对比 |
| 5.3.1 各因素对钻进速度的影响对比分析 |
| 5.3.2 各因素对冰芯质量的影响对比分析 |
| 5.4 本章小结 |
| 第6章 热水钻融冰系统系统设计与测试 |
| 6.1 热水钻融冰系统应用背景 |
| 6.2 热水钻融冰系统整体设计 |
| 6.2.1 动力系统 |
| 6.2.2 钻具设计 |
| 6.2.3 绞车设计 |
| 6.2.4 电器部分 |
| 6.3 热水钻融冰系统实验室测试 |
| 6.4 本章小结 |
| 第7章 结论与展望 |
| 7.1 论文主要结论 |
| 7.2 论文创新点 |
| 7.3 展望 |
| 参考文献 |
| 作者简介及在学期间所取得的科研成果 |
| 致谢 |
（9）极地冰架热水钻钻头测控系统研制（论文提纲范文）
| 0 引言 |
| 1 系统总体结构 |
| 1.1 系统框架 |
| 1.2 系统工作原理 |
| 2 系统硬件设计 |
| 3 系统软件设计 |
| 3.1 上位机软件设计 |
| 3.2 下位机软件设计 |
| 4 调试 |
| 5 总结 |
（10）极地冰下基岩钻探测控系统研制（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题来源 |
| 1.2 课题研究背景和意义 |
| 1.3 国内外研究现状 |
| 1.3.1 国外研究现状 |
| 1.3.2 国内研究现状 |
| 1.4 论文研究内容及设计目标 |
| 1.5 论文章节安排 |
| 1.6 本章小结 |
| 第2章 极地冰下基岩钻探测控系统总体方案设计 |
| 2.1 项目结构总体概述 |
| 2.2 测控系统总体组成 |
| 2.3 测控系统方案设计 |
| 2.3.1 冰面测控系统方案 |
| 2.3.2 随钻测控系统方案 |
| 2.3.3 电能传输和数据传输方案 |
| 2.4 本章小结 |
| 第3章 系统硬件设计 |
| 3.1 随钻测控系统电路设计需求 |
| 3.2 随钻测控系统电路设计 |
| 3.2.1 电源模块电路 |
| 3.2.2 主控MCU电路 |
| 3.2.3 姿态传感器电路 |
| 3.2.4 模拟电流输入测量电路 |
| 3.2.5 机械转速、流量采集 |
| 3.2.6 通信模块电路 |
| 3.3 本章小结 |
| 第4章 系统软件设计 |
| 4.1 冰面测控软件设计 |
| 4.1.1 冰面测控软件框架 |
| 4.1.2 人机交互界面 |
| 4.1.3 数据采集处理 |
| 4.1.4 数据库功能介绍 |
| 4.2 随钻测控系统程序设计 |
| 4.2.1 嵌入式软件框架 |
| 4.2.2 姿态数据采集 |
| 4.2.3 转速脉冲数据采集 |
| 4.2.4 模拟信号采集 |
| 4.2.5 通信协议定义 |
| 4.3 本章小结 |
| 第5章 系统联调与测试 |
| 5.1 随钻测控系统硬件功能调试 |
| 5.1.1 硬件裸板调试 |
| 5.1.2 硬件模块功能测试 |
| 5.2 系统工作环境测试 |
| 5.2.1 低温测试 |
| 5.2.2 压力测试 |
| 5.3 电能与数据远程通信测试 |
| 5.4 车间钻进平台联调 |
| 5.5 本章小结 |
| 第6章 总结与展望 |
| 6.1 总结 |
| 6.2 展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 附录 |
四、冰川-Ⅰ型热水钻的研制及其应用（论文参考文献）
- [1]南极冰架热水钻除水系统试验研究[D]. 邢呈巍. 吉林大学, 2020(08)
- [2]新一代南极冰下基岩钻测控系统设计与实现[D]. 刘本坤. 杭州电子科技大学, 2020(02)
- [3]冰川-Ⅰ型热水钻的研制及其应用[J]. 梁素云. 冰川冻土, 1983(04)
- [4]热水钻融冰过程及钻进系统研究[D]. 刘刚. 吉林大学, 2019(10)
- [5]极地冰架热水钻测控系统研制[D]. 同懿. 杭州电子科技大学, 2017(03)
- [6]国际冰层热水钻研究进展与面临的挑战[A]. 王如生,达拉拉伊,李院生,刘刚,陈宝义,杨阳. 第十八届全国探矿工程（岩土钻掘工程）技术学术交流年会论文集, 2015
- [7]南极冰架热水取芯钻具设计及实验研究[D]. 刘安. 吉林大学, 2018(12)
- [8]冰层热水钻环状多喷嘴对钻进速度及冰芯质量影响机制研究[D]. 刘安. 吉林大学, 2021(01)
- [9]极地冰架热水钻钻头测控系统研制[J]. 周巧娣,同懿,余小非. 电子技术应用, 2017(08)
- [10]极地冰下基岩钻探测控系统研制[D]. 营方全. 杭州电子科技大学, 2018(01)