月壤水冰原位开采过程中热质传递特性数值研究

摘要

为节省地面构建月球永久阴影区环境的试验成本，并缩短月壤水冰原位开采方案设计周期，构建了高真空、极低温环境下，月壤内水冰升华的变物性数值仿真模型。基于被动式光热水冰开采方案，同时考虑传热和压差驱动升华，预测了水冰开采过程中的升温、升华和扩散过程；展示了月壤内，水冰含量、温度场和压力场的空间分布和时间变化；分析了不同光辐照度、含水率和月壤孔隙直径下的水冰升华过程。研究结果表明：空间分布上出现了明显的开采平面，开采平面两侧的温度梯度和压力梯度显著不同；压力随时间的变化呈现波动状态，且与水冰升华速率的波动同步。水冰升华速率随着光辐照度的增加、含水率的增加和月壤孔隙直径的增加而增加，能量效率随着光辐照度的减小、含水率的增加和月壤孔隙直径的增加而增加。该研究全面地揭示了水冰开采过程中的热质传递特性，并且为水冰开采系统的多设备集成仿真研究奠定了基础。

关键词

月壤水冰 / 热质传递 / 升华 / 扩散 / 数值仿真

基金资助

民用航天技术预先研究项目（D010302）