用于火星采矿的多孔液体闪蒸喷射技术：关于喷射演变区域主导因素的研究

《Geoenergy Science and Engineering》：Multi-hole liquid flashing jet technology for martian mining: Study on the dominant factors of jet evolution regions

　　刘文川|张卓雅|唐吉仁|崔家伟|李家峰|刘勇|谢五平
中国重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400044

**摘要**
原位资源利用（ISRU）是探索太空的关键步骤，开采火星岩石层有助于提取各种能源。多孔闪蒸液射流是在火星条件下进行挖掘和采矿的有效方法。火星大气中几乎96%的成分是某种特定物质，使用这种物质作为工作流体可以直接降低开采和运输成本。闪蒸射流的演变特性对挖掘效率有着显著影响。本研究重点关注多孔闪蒸液射流的形态，以探究几何因素对射流演变的影响。此外，还研究了多孔闪蒸燃料射流，以强调流体属性如何影响射流演变，特别是对比了低温流体和标准流体之间的主要差异。根据不同的主导因素，确定了三个区域：
(1) 在射流膨胀区域，膨胀由成核率理论预测，并且受到注入压力的不同影响；
(2) 在射流相互作用区域，燃料射流宽度取决于膨胀和相互作用，而低温流体则受到膨胀和蒸发之间竞争的影响；
(3) 在射流衰减区域，大型涡流运动会影响燃料射流的形态。对于低温流体，空气动力阻力的影响通过混层中的不稳定性体现出来，这一点可以通过适当正交分解（POD）技术观察到，该技术显示相同的峰值频率。由于影响多孔闪蒸射流演变的因素众多，相似的喷嘴几何结构参数并不一定保证射流模式的一致性。本研究为未来的火星ISRU提供了宝贵的见解。

**引言**
太空探索的主要成本集中在资源提取和运输上（Volger等人，2020年）。原位资源利用（ISRU）起着至关重要的作用，能够以更低的成本生产必要的能源资源（Kelly等人，2024年；Zhang等人，2021年）。与地球相比，火星的逃逸速度较低，运输成本也较低，使其成为有前景的物质资源来源（Nababan等人，2022年；Thangavelautham等人，2020年）。火星上的ISRU是未来火星探索和载人任务的关键技术之一，可以为建立火星基地和深空转运站提供关键材料（图1）。由于来自火星相关探索的数据有限，目前关于火星资源利用的研究主要集中在大气层和风化层上。从火星风化层中提取资源可以为生命支持系统（Pavlov等人，2024年；Shahid等人，2024年）、推进剂和建筑提供重要材料（Tute和Goulas，2024年），这使得利用当地资源在火星上建立基地成为可能。
在地球上，使用高压水射流进行能量提取是一项成熟且高效的技术（Chen等人，2025年；Zeng等人，2025年）。van Susante等人（2021年）提出使用高压水射流进行火星采矿，这种方法比传统机械挖掘机对设备的磨损更小。然而，从火星上提取水仍然具有挑战性，需要从地球运输（Hu等人，2024年）。相比之下，某种特定物质在火星上更为丰富，占大气成分的近96%（Mahaffy等人，2013年；Caillé等人，2024年；Roelofs等人，2024年；Hansen等人，2024年）。从火星大气中提取这种物质的成本要低得多（Pathak等人，2024年）。因此，使用这种物质作为工作流体从岩石层中提取资源具有显著的优势。
由于火星的大气压显著较低，这种物质在注入过程中会发生快速的相变（闪蒸沸腾）（Guo等人，2016年；Cui等人，2024a）。超临界液体的闪蒸沸腾在汽油直喷（GDI）发动机中已被广泛研究（Xu等人，2019年；Wu等人，2020a；Li等人，2024a）。由于气缸压力较低，从多孔GDI喷射器中喷出的燃料会发生闪蒸和膨胀（Chen等人，2019年；Luo等人，2022年）。这一过程增强了雾化效果并减少了射流穿透力（Lin等人，2024年）。在喷嘴出口处，由于内部闪蒸沸腾，燃料射流呈放射性膨胀，这是闪蒸沸腾区域的主要特征（Bornschlegel等人，2021年）。气泡的成核率决定了闪蒸沸腾的程度和射流的放射性膨胀（Lamanna等人，2014年）。在相互作用区域，射流宽度与成核率之间的关系较弱（Guo等人，2019年）。在射流尾部可以观察到涡环结构（Wu等人，2020b）。燃料射流的结构根据不同区域的控制因素而变化（Begg等人，2009年）。
近年来，这种射流在地球上被广泛用于能量提取（Tan等人，2025年；Zhang等人，2022a；Liu等人，2024年）。例如，在煤层气提取中，这种物质通过相变引起射流膨胀，从而扩大了岩石破坏区域（Li等人，2018年）。其强的渗透性结合低温冷却效果提高了破岩效率（Yang等人，2016年）。射流的膨胀程度根据不同流场距离而变化（Liu等人，2021a）。射流流场的形态主要受注入压力、温度和大气压力的影响（Zhang等人，2022b）。通过调整喷嘴配置和操作参数，可以提高破岩效率（Cai等人，2022年）。此外，更高的射流压力会增加岩石破坏（Bai等人，2020年），而较低的温度则会延迟这种物质的相变，从而产生更强大、更广泛的射流（Kim和Song，2019年）。Wang等人（2024年）通过实验结合CFD模拟发现，射流近场在注入过程中经历了从波动到稳定的不同状态，并产生强烈的膨胀波，在流体中形成了低压区域。Li和Deng（2022年）建立了一个非平衡CFD模型来模拟超临界喷射器内的闪蒸流动，发现了蒸发在闪蒸过程中的主导作用。Guo的研究（Guo和Torelli，2023年）进一步证实了蒸发的重要性。Mohan等人（2021年）提出了一种耦合欧拉-拉格朗日方法，用于数值模拟闪蒸条件下的汽油喷射器内部和附近的流动，预测了闪蒸条件下的喷流相互作用。
由于对多孔液体闪蒸射流的研究有限，其流场区域的影响机制需要进一步补充和完善。与高沸点烃类相比，这种液体的表面张力和粘度显著较低。液体的气相密度主要取决于系统的静态压力。目前提出的用于燃料闪蒸射流的主导因素和调节标准是否适用于这种液体，需要进一步分析。本研究研究了多孔闪蒸射流的特性，并将其与燃料射流进行了比较，以了解流体属性在射流演变中的作用。光学诊断实验揭示了影响射流演变的关键因素，还强调了这种液体射流与燃料射流之间的差异，为火星采矿应用中的闪蒸射流机制提供了见解。这些发现为未来的火星ISRU提供了宝贵的启示。

**实验设置**
选择这种液体和双组分燃料作为测试流体有三个原因：
(1) 评估喷嘴几何形状对多孔射流形态的影响；
(2) 在一致的运行条件下进行比较，便于对比流体属性；
(3) 强调低温流体和标准流体之间的区别。

**结果**
引入了一种物质来评估射流-射流相互作用的阶段（公式（1）），考虑了几何形状和流体条件的依赖性。使用了四种类型的喷嘴进行多孔液体射流实验，包括具有相似性质的喷嘴对。在多孔燃料闪蒸射流的情况下，使用了相同的喷嘴，而不同的燃料则用于研究闪蒸射流演变的关键因素。

**讨论**
(1) 射流膨胀区域
在初始阶段（20毫秒内），射流膨胀主要受成核率的影响，两种燃料的射流宽度均为6毫米。先前的研究表明，过热度（ΔT）和能量障碍（ΔE）是分析该区域射流宽度相关性的两个重要参数（Lacey等人，2017年；Zhang等人，2022a）。能量障碍是公式（3）中的一个指数项。喷嘴喉部静态压力（Pth）对射流膨胀有影响。

**结论**
本研究比较了这种液体和不同类型燃料的射流形态，以阐明影响射流演变的主要因素，为火星采矿提供了依据。与燃料相比，这种液体更容易发生相变，更强的冷却效果和更高的大气压力导致了不同的射流形态。得出以下结论：
(1) 多孔液体射流在喷嘴出口附近最初表现出不完全融合现象，随后逐渐合并……

**作者贡献声明**
刘文川：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、资金获取、数据管理
张卓雅：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、数据管理
唐吉仁：监督、项目管理、资金获取
崔家伟：验证、数据管理
李家峰：资源协调
刘勇：监督、资源协调
谢五平：资源协调

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的会影响到本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52474208）、重庆市杰出科学家项目（项目编号cstc2024ycjh-bgzxm0016）和重庆市技术创新与应用发展专项重点项目（项目编号CSTB2022TIAD-KPX0135）的财政支持。