열 관성 시추 코어링 성능 향상을 위한 발열원 배치 설계
극지 연구에서 빙하 코어 채취에 필수적인 열 관성 시추 기술은 시추 효율과 코어 무결성 향상이라는 공학적 난제를 안고 있습니다. 특히 내부 발열원 설계가 시추 비트의 열 성능을 좌우하지만, 시스템 열전달 및 코어 보존에 미치는 영향은 충분히 정량화되지 않았습니다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하고자 MATLAB을 활용하여 3차원 비정상 다중 물리 연동 수치 모델을 개발했습니다. 이 모델은 상변화 및 유체 흐름을 포함하는 복잡한 열전달 과정을 시뮬레이션하며, 유한 체적법으로 풀이되고 실험 데이터(최대 관입 속도 오차 12.85% 미만)로 검증되었습니다. 연구는 등간격 나선형(EHW), 등 코일 높이(ECHW), 등 코일 높이 하단 집중형(ECHBW)의 세 가지 발열선 권선 구성을 체계적으로 비교 분석했습니다. ECHBW 구성은 발열원에서 비트 작업면까지의 평균 거리를 2.15% 단축하여 바닥 평균 온도를 6.48% 높여 열전달 경로를 최적화했습니다. 기존 EHW 설계 대비 ECHW 패턴은 비트 바닥의 온도 균일성을 73.67% 향상시키고, 2100W에서 관입 속도를 4.61–6.37% 증가시키며, 용융수에 대한 열 손실을 9.69%, 빙하 코어에 대한 열 교란을 1.97% 감소시켜 용융 얼음 부피를 1.44% 줄였습니다. 또한, 발열량이 높을수록 최고 온도는 상승하지만 열 영향 구역이 국소화되는 경향을 보였습니다. 주변 온도와 관입 속도 사이에는 -40°C에서 -15°C 범위 내에서 코어 용융을 악화시키지 않으면서 거의 선형적인 양의 상관관계가 나타났습니다. 본 연구는 검증된 수치 도구와 명확한 설계 원칙을 제공하여 코어링 비트의 열 관리를 최적화하고, 보다 효율적이고 비침습적인 빙하 코어 샘플링 기술 발전에 기여합니다.