极地地区气温低、远离人类污染,同其它气候代用指标相比具有信息量大且保真度好、时间分辨率高、时间尺度范围大、分布面积广等特点,是研究全球气候变化最为关键的地区之一。获得年代久远的冰芯,对于重建地球历史演化以及预测全球气候变迁具有重要意义。现有铠装电缆式电动机械钻具需要提钻取芯,劳动强度大、取芯辅助时间长,导致工作效率低、成本高,并且采用钻井液循环,对极地生态环境有一定的破坏,制约了极地钻探工程的快速发展。空气反循环连续取芯钻进技术因其具有不停钻连续取芯、钻进效率和取芯率高、对岩芯无污染等优点,在常规地质岩芯钻探领域得到了广泛的应用。如若将其应用到极地冰层钻探中,将大幅提高极地钻探钻进效率。钻头是空气反循环钻进的关键部件,其结构直接决定反循环效果。本文在借鉴地质钻探领域空气反循环钻头结构的基础上,针对冰层取芯钻进特点及对空气注入参数的要求,设计了一种新型的带有旋流器的冰钻反循环钻头,依靠旋流器处形成强力的螺旋流对钻头底部产生强大的负压,来提高冰钻钻头的反循环效果。为优化钻头旋流器结构参数,提高反循环效果,并分析冰芯对反循环效果的影响规律,本文设计了一套冰钻钻头反循环测试试验台,采取正交试验的方法对钻头旋流器的螺旋叶片升角、叶片条数、叶片长度、以及导流通道与底喷通道面积比等四个结构参数进行试验优化。结果表明螺旋叶片升角是对反循环效果影响最大的因素,其次是叶片长度和旋流器出口通道面积,叶片条数对反循环效果的影响最小。为研究冰芯对钻头反循环效果的影响规律,并对钻头结构进行优化,本文最后使用CFD软件对不同螺旋升角条件下钻头内部的流场进行数值模拟分析,对比分析了不同螺旋叶片升角、不同冰芯高度对钻头内部阻力引起的能量损失以及底喷通道分流情况对旋流钻头反循环效果的影响规律。结果表明旋流钻头反循环效果受螺旋效果、旋流器处阻力引起的能量损失及底喷通道分流情况的影响,不同旋流器结构参数会对旋流器形成螺旋的能力以及旋流器阻力产生影响,从而影响旋流钻头的反循环效果。冰芯高度也会对旋流钻头反循环效果产生很大的影响,当冰芯高度高于旋流钻头旋流器位置时,旋流器在冰芯与内管之间的环隙通道形成更强的螺旋效果,当冰芯高度接近或低于旋流器位置,旋流器主要在中心圆形通道形成螺旋流,同时在有冰芯的情况下,钻头内部的压力损失和底喷通道分流情况较无冰芯时严重,因此,冰芯高度接近或低于旋流器位置时,钻头反循环效果较无冰芯时低15%左右,冰芯高度高于旋流器位置时,钻头反循环效果较无冰芯时无明显差距。最后进行了单一变量试验对角度及冰芯对钻头反循环效果进行了试验测试同时对模拟结果进行对比分析及验证,CFD模拟结果与试验结果高度吻合,最大误差控制在10%以内,最小误差仅有0.9%,获得螺旋升角的最优参数。基于本次试验的结果,结合正交试验获得参数变化规律以及数值模拟各因素对内部流场影响效果,综合确定本次所研究中的钻头参数当中螺旋叶片升角70°、叶片条数为3条、叶片长度10mm以及旋流器通道面积比为6的结构反循环效果最佳。在无冰芯条件下,最优结构旋流钻头在有底喷通道的情况下,抽吸率最大可以达到38%,在无底喷通道情况下,抽吸率可以达到59%。