超临界介质射流火星辅助破岩技术研究

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本文以未来十年的火星采样返回任务为研究主题,火星大气的低压环境为研究背景,围绕硬岩钻进的技术积累优势,针对钻具冷却、磨损和岩屑携带排出、减阻等必要问题,援引射流辅助深钻技术设想,进一步提出基于射流技术的岩表预制孔破碎方案,旨为火星采样技术研究的深入推进提供建设性思路及参考。本文以流体力学中微元体模型为研究对象,针对喷嘴内流场的运动过程,建立连续性方程和动量方程,分析引入湍流数学模型的必要性;针对喷嘴外流场的运动过程,分析一种可能的液滴夹带扩散机理,总结射流扩散行为的影响因素;以CO2热力学方程为基础,分析CO2热性质变化规律,得到SC-CO2温度、压力与热性质的数值关系;选择H2O、CO2、SC-CO2作为射流介质,利用Fluent对低压场射流束的扩散情况进行仿真分析,验证介质属性是影响外流场低压扩散行为的关键因素;分析喷嘴结构对外流场低压扩散行为的重要影响,为喷嘴构型的合理设计提供相关参考性建议;设计一种超临界介质射流装置,具体进行整体结构规划和材料选型工作,意为火星辅助破岩技术的设想提供实用性思路及可行性参考。由预研阶段的方案设计、仿真分析可知,低压场条件下射流束结构可以存在,火星辅助破岩技术可具备后续发展的潜力及必要性。
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