Hostname: page-component-74656f9884-g96k6 Total loading time: 0 Render date: 2026-11-11T00:38:17.752Z Has data issue: false hasContentIssue false

Theory of Performance of Isothermal Solid-Nose Hotpoints Boring in Temperate Ice*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

R. L. Shreve*
Affiliation:
Department of Geology and Institute of Geophysics, University of California, Los Angeles, Calif.
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Abstract

The performance of a thermal ice-drill having a smooth, solid, impervious frontal surface, termed a “solid-nose hotpoint”, is determined by the velocities, pressures, and temperatures in the thin layer of warm melt water between the hotpoint and the ice. The efficiency, the speed of penetration, the temperature of the frontal surface, and the distribution of pressure on it can be calculated from the equations of non-turbulent fluid flow. For hotpoints whose frontal surfaces are isothermal and axially symmetric, these quantities are functions of the total input of power Q of the weight W on the hotpoint, of the radius a and “shape factor” S of the frontal surface, and of the pertinent physical properties of water and ice. The calculation shows that with increasing “performance number” the efficiency E decreases and the surface temperature θ 0 increases. Thus, for example, E = 1·00 and θ 0 = 0°C. when N = 0.0 E = 0·76 and θ 0 = 48°C when N = 1.4; and E = 0·60 and θ 0 = 103°C. when N = 3.0. The coefficient Λ is a constant equal to . The shape factor S is a dimensionless number between 0 and 1 that varies according to the shape of the frontal surface, greater values of S being associated with blunter profiles (thus S = 1.0 for a plane frontal surface perpendicular to the axis). For coring hotpoints the same numerical results are obtained, but the performance number is given by

where 2ϖ i a is the inside diameter of the hotpoint.

Résumé

Résumé

Le rendement d’une sonde á glace thermique ayant une surface frontale lisse, solide et étanche. appelée “solid-nose hotpoint”, est déterminé par les vitesses, les pressions et les températures de la mince couche d’eau de fonte se trouvant entre la pointe chaude et la glace. Le rendement, la vitesse de pénétration, la température et la répartition de la pression sur la surface frontale peuvent être calculés à l’aide des équations d’écoulement d’un fluide non turbulent. Pour des pointes chaudes à surface frontale isotherme de symétrie axiale, ces quantités sont fonctions de l’apport total de chaleur Q, du poids W agissant sur la pointe chaude. du rayon a et du “coefficient de profil” S de la surface frontale, ainsi que des propriétés physiques de l’eau et de la glace. Le calcul montre qu’avec l’augmentation du “coefficient de rendement” le rendement E décroît et la température de surface θ 0 croît. Ainsi par exemple E = 1,00 et θ 0 = 0°C pour N = 0,0; E = 0,76 et θ 0 = 48°C pour N = 1,4; et E = 0,60 et θ 0 = 103°C si N = 3,0. Le coefficient Λ est une constante égale à . Le coefficient de profil S est un nombre sans dimension compris entre 0 et 1. qui varie en fonction du profil de la surface frontale, les fortes valeurs de S étant associées à des profils plus obtus (ainsi S = 1,0 pour une surface frontale plane perpendiculaire à l’axe). Pour des carotteurs à pointe chaude les mêmes résultats numériques sont obtenus. mais le coefficient de rendement est donné par

ou 2ϖ i a est le diamètre intérieur de la pointe chaude.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Leistung eines thermischen Eisbohrers mit glatter, starrer und undurchlässiger Spitze (“solid-nose hotpoint”) ist bestimmt durch die Geschwindigkeiten, Drucke und Temperaturen in der dünnen Schicht warmen Schmelzwassers zwischen Eis und Bohrer. Mit hilfe der Gleichungen für laminares Fliessen kann man die wirksame Leistung, die Vortriebsgeschwindigkeit, die Temperatur der Spitze und die Druckverteilung über die Spitzenoberfläche während des Bohrbetriebes berechnen, Diese Werte sind an rotationssymmetrischen Bohrern mit isothermaler Spitzenoberfläche Funktionen der zugeführten Wärme Q. des an der Bohrerspitze wirksamen Gewichtsanteils W, des Radius a, des Form-Koeffizienten S für das Spitzen-profil und der in Betracht kommenden physikalischen Eigenschaften von Wasser und Eis. Bei zunehmender “Leistungszahl” nimmt der Wirkungsgrad E ab und die Spitzentemperatur θ 0 zu. So wird zum Beispiel E = 1,00 und θ 0 = 0°C, wenn N = 0.0; E = 0,76 und θ 0 = 48°, wenn N = 1.4; oder E = 0,60 und θ 0 = 103°, wenn N = 3.0. Die Zahl Λ ist eine Konstante mit dem Wert 3,4, wenn wir als Dimensionen setzen (kg als Gewichtseinheit). Der Form-Koeffizient S ist eine dimensionslose Zahl zwischen 0 und 1. die sich mit der Form der Bohrerspitze ändert; je stumpfer das Profil ist, umso höher der Wert von S (also S = 1,0 für den rechtwinklig endenden zylinder). Für Kernbohrer gilt

mit denselben Werten wie zuvor und mit 2ϖ i a als Innendurchmesser des Kernrohrs.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1962
Figure 0

Fig. 1. Coordinate systems

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Fig. 2. Specific viscosity of water as a function of temperature. The dimensionless temperature τ is defined by τ = θc/λ

Figure 2

Fig. 3. Shape factors for some representative profiles of the frontal surface

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Fig. 4. Efficiency, surface temperature and as functions of performance number

Figure 4

Table 1. Summary of Numerical Results