仿生孕镶金刚石钻头散热性能研究

【摘要】世界各国对能源的消耗导致浅层油气资源越来越少，人类将勘探目标瞄准了地球的深层资源。在复杂地层中有效地破碎硬岩是资源矿产勘探须解决的重要课题。吉林大学研制的仿生孕镶金刚石钻头的钻进效率较普通钻头至少提高30%，钻头寿命至少提高30%，功率消耗至少降低40%。然而，钻头底面产生的仿生非光滑结构对钻头热性能的影响尚不清楚，开展仿生孕镶金刚石钻头散热性能的研究，对深入研究仿生金刚石钻头的耐磨机理，具有重要的学术意义。本文应用数值模拟和试验相结合的研究方法，开展仿生孕镶金刚石钻头散热性能的研究，探究了仿生单元体及仿生单元体排布对流体域流场、温度场及固体域温度分布的影响。设计并制备了钻探钻头冷却温度原位测量试验台，实现了钻进过程中钻头温度的实时测量。该试验台由气压泵、气压缸、换向控制阀、缸套、钻杆、钻探钻头组成的给进系统，电动机、带轮、皮带、夹持器、连接轴组成的回旋系统，压力水箱、水量调节阀、排屑箱组成的冷却系统，热电偶、温度传感器、数据采集线、智能采集模块组成的温度测试系统以及基座、箱体、引流板、挡水板、凸台、加强筋组成的工作台组成，能够真实的反映工况、精确控制各项参数。试验结果表明，相同工况下，普通钻头、仿生钻头-1540、仿生钻头-2035、仿生钻头-2025、仿生钻头-2040、仿生钻头-1525和仿生钻头-1535在胎体上沉孔12mm和6mm深处的温度逐次降低。在沉孔12mm深处，各仿生钻头相对普通钻头温度降低的范围为4.6%-19.8%。在沉孔6mm深处，各仿生钻头相对普通钻头温度降低的范围为4.9%-16.2%。热流固耦合数值模拟表明，各仿生钻头胎体的温度分布低于普通钻头。仿生钻头和普通钻头的温差在凹坑处最为明显，仿生钻头和各普通钻头在凹坑处的最大温差和最小温差分别为104.4℃和44.7℃。各仿生钻头相对普通钻头温度降低的范围为6.1%-14.2%。应用数值模拟对比研究了仿生与光滑孕镶金刚石钻头流体域的流场和温度场；采用热流固耦合分析的方法，探究了仿生单元体及仿生单元体排布对固体域温度分布的影响；结合试验初步揭示了仿生孕镶金刚石钻头的散热机理：凹坑减小了钻头与岩石的摩擦接触面积，导致产生热量减小；凹坑内部水膜较厚、热阻较大、阻断热量的传递，导致凹坑周围胎体的温度较低；凹坑对冷却液的扰动增强了冷却液和勘探钻头的对流换热，带走了更多的热量，减少热量向钻头内部的传递。仿生单元体周向距离DA、径向距离DR的比列对冷却液和勘探钻头的热交换影响显著，仿生单元周向距离DA和径向距离DR之比约为1：2时会取得较好的散热效果。
【作者】唐友军；
【导师】张成春；
【作者基本信息】吉林大学，农业机械化工程，2014，硕士
【关键词】仿生；孕镶金刚石钻头；散热；流固耦合；

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