基于连续旋转爆轰发动机中单向引燃技术研究毕业设计论文.doc

课题：基于连续旋转爆轰发动机中单向引燃技术研究 摘要简要介绍爆轰燃烧的基本原理以及其在能源、航空、航天等领域中的应用背景，爆轰发动机的发展历程以及爆轰发动机的分类，分析一些关键技术的难点，针对难点进行一些设计的展望。重点介绍旋转爆轰发动机，因为旋转爆轰发动机是一种新型的爆轰发动机。在推进方面，旋转爆轰发动机同时具备了脉冲爆轰发动机和驻定爆轰发动机的某些优点，既可以零起动，又没有出口爆轰产生的噪音，且爆轰产物的污染很小，具有广阔的应用前景。对旋转爆轰发动机的燃烧室结构进行简要的介绍，同时针对脉冲点燃的弊端进行单向引燃的设计，根据点燃方式的不同分为两大类的设计，一种是由导管连接燃烧室的设计，只需普通点燃就可以在燃烧室形成爆轰波；另一种是根据脉冲点火的特性，从限制燃烧方向和燃料方向的角度出发，设计出单向引燃。本文将对该设计进行详细解释，并对各个设计的优缺点进行简要的分析。关键词：爆轰燃烧、旋转爆轰发动机、单向引燃 abstractbriefly the basic principles of combustion and detonation in energy, aviation, aerospace and other fields of application background, detonation engine development process as well as the classification of detonation engine to analyze some of the key technical difficulties, difficulties of some of the design for the outlook .highlights the rotating detonation engines, because rotating detonation engine is a new type of detonation engine. in advance, the rotating detonation engine along with a pulse detonation engines and in some of the advantages given detonation engines, either zero start, and no export detonation noise and pollution of detonation products is very small, with broad application prospects.rotating detonation engine combustion chamber for a brief introduction to the structure, while for the drawbacks of directional pulse ignited pilot burner design, the different ways according to ignite the design is divided into two categories, one is connected to the combustion chamber by a catheter design, can be just an ordinary ignition detonation wave is formed in the combustion chamber; other is based on the characteristics of the ignition pulse, and the fuel from the restriction burning direction angle direction, the directional design igniter. this article will explain in detail the design, and the advantages and disadvantages of each design brief analysis.keywords: detonation combustion、 rotating detonation engine、unidirectional ignition目录 第一张：绪论 11.1、爆轰理论基础 11.2、爆轰燃烧的基本原理 .41.3、爆轰推进的研究 .41.4、旋转爆轰发动机研究意义 .51.5、旋转爆轰发动机的结构 .51.6、单向引燃设计 .6 1.6.1、燃烧室结构 .6 1.6.2、单向引燃设计的必要性 .71.7、旋转爆轰发动机单向引燃的设计意义 .8第二章：犀牛简介 .92.1、犀牛特点.9 2.2、犀牛界面.10 2.3、犀牛功能介绍.12 2.3.1、犀牛主体工具 .12 2.3.2、犀牛辅助工具 .16第三章：单向引燃设计 .19 3.1、基于普通点火的单向引燃设计.193.2、基于脉冲点火的单向引燃设计.21第4章 ：全文总结和展望 .30致 谢 .31参考文献 .32 3第一章：绪论一、 绪论1.1 爆轰理论基础燃烧过程可以产生爆炸，燃烧导致的爆炸可以按照燃烧速度分为两类：1、爆炸性混合气体的火焰波以低于声速传播的燃烧过程称为爆燃；2、爆炸性混合气体的火焰波在管道内以高于声速传播的燃烧过程称为爆轰1。宋史中有这样的记载:“乃令所都人拥一火炮燃之，声如雷霆，震城土皆崩，烟气涨天外，兵多惊死者”。上述文字描述了爆炸导致的城墙和房屋的破坏以及对人的伤害。而西方国家直到13世纪才开始应用由阿拉伯传入到欧洲的火药知识2，比中国晚了300500年。虽然中国古代文明在爆炸领域做出了卓越的贡献，但近代爆炸力学的科学基础却是在19世纪以来由欧洲学者们完成的。瑞典人诺贝尔制成了硝化甘油系列的混合炸药，并于1865年发明了雷管，实现了“爆轰”，开创了爆炸应用的新时期3。随着两次世界大战的爆发以及爆炸的工业应用，爆轰学科的理论基础逐步在形成。人们逐渐认识到爆轰的本质是伴有化学反应的冲击波，前沿冲击波作用在含能材料上，在高温高压条件下诱导化学反应，释放的能量支持冲击波继续推进，力学效应和化学效应互相祸合使得爆轰波的结构非常复杂4。19世纪末，krzychi,l.j 5等人在实验研究气相爆轰的基础上，提出了cj理论6，该理论将爆轰波中的化学反应区缩为一个强间断面，使得可以用流体力学方法处理爆轰波，而不必考虑化学反应的过程。20世纪40年代，nicholls ,j.a 7、heldman, d 8和francois falempin 9各自独立地提出了简单的爆轰波结构模型，称为znd模型10。该模型不像cj理论那样把爆轰区简单地看成一个间断面，而是认为爆轰波由没有化学反应的冲击波和连续的化学反应区组成。znd模型显然要比cj理论更符合实际情况，但由于cj理论简单易用，所以至今还在被广泛使用11。以下是简单介绍cj理论和znd模型： 1）cj理论这一理论是借助气体动力学原理来阐释的11。他们提出如下假定：（1）冲击波与化学反应区作为一维间断面处理，反应在瞬间完成，化学反应速度无穷大，反应的初态和终态重合，跨过波阵面激波守恒定律依然成立，流动或爆轰波的传播是定常的；（2）间断面：爆轰波理解为冲击波，化学反应区作为瞬间释放能量的几何面紧紧贴在冲击波的后面，整个作为间断面来处理，从间断面流出的物质已处于热化学平衡态，因此波后可用热力学状态方程来描述；（3）将爆轰波视为一维平面波，其药柱直径无限大，并忽略起爆端影响；（4）稳定爆轰是定常的，即坐标系可作为惯性系建立在波阵面上。 cj假设把爆轰过程和爆燃过程简化为一个含化学反应的一维定常传播的强间断面12，对于爆轰过程，该强间断面为爆轰波，对于爆燃过程则叫做爆燃波。将爆轰波或爆燃波简化为含化学反应的强间断面的理论通常称为chapman-jouguet理论，简称cj理论。cj理论的关键不仅在于上述的cj假定, 还在于提出了爆轰波能够定常传播的约束条件cj条件。所谓cj条件, 是指爆轰波阵面后方的状态用冲击hugoniot线和rayleith线13的切点来描述, 或直观地表述为波阵面后方的流动速度等于声速。由cj条件可得到cj方程，再结合流体力学的三个守恒方程（即质量、能量和动量守恒方程），再加上爆轰产物的状态方程，就构成了描述爆轰的封闭方程组，而状态方程则取决于化学反应度14（degree of chemical reaction）。cj理论是定常爆轰理想化的理论，尽管忽略了化学反应的具体进展过程，但它能成功用于爆轰理论分析，尤其爆轰波速度的计算。应用cj理论计算得出的气体爆轰的爆速值与实测值相差只有1215。但是，对气相爆轰进行精密测量得到的爆轰压强和密度值，比用cj理论得到的值约低1015，对爆轰产物实测得到的马赫数比计算得到的cj值约高1015。 这表明cj理论是一种近似理论。另外，炸药的爆轰实际上存在一个有一定宽度的反应区，而且有些反应区的宽度相当大，因此，将爆轰波仅仅看作一个强间断面已不恰当。这说明还须对爆轰波的内部结构进行深入研究。cj理论第一次给出了爆轰的物理模型和数学模型16，反映了爆轰是化学反应冲击波传播过程这一本质，从而奠定了爆轰研究的基础，具有划时代的意义。爆轰波的cj理论并没有考虑到化学反应的细节，认为化学反应速率无限大，反应瞬间完成，这和实际情况是不相符合的。由于对化学反应细节进行研究和描述十分困难，这就导致了人们至今都未能完全了解爆轰波的结构和自持机理。而对爆轰波精细结构和自持机理的研究17，一直都是爆轰学的一个重要研究领域。 2）znd模型与cj理论相比，znd模型更接近实际情况18。该模型认为，爆轰时反应物首先经历一个冲击波的预压缩过程，形成高温高密度的压缩态，然后才开始进行化学反应，在经历一定时间后，化学反应结束，达到反应终态，产生爆轰产物。znd模型首次提出了化学反应的引发机制，并考虑了化学反应的动力学过程，是cj理论的重要发展。znd模型的物理构像如图1.1所示：图1.1 znd模型的物理构像znd模型的基本假设有：（1）流动是一维的；（2）冲击波是间断面，忽略分子的输运（如热传导、辐射、扩散、粘性等）；（3）在激波前，化学反应速度为零，冲击波后的化学反应速率为一有限值（非无穷大），反应是不可逆的；（4）在反应区内，介质质点都处于局部热力学平衡态，但未达到化学平衡态（组分在变）。这样，爆轰波可看成是由冲击波和化学反应区所构成，而且它们以相同的运动速度在炸药中传播19。 1.2 爆轰燃烧的基本原理： 爆轰是一个伴有大量能量释放的化学反应传输过程。反应区前沿为一以超声速运动的激波，称为爆轰波20。爆轰波扫过后，介质成为高温高压的爆轰产物。能够发生爆轰的系统可以是气相、液相、固相或气液、气-固和液-固等混合相组成的系统。通常把液、固相的爆轰系统称为炸药。爆轰过程不仅是一个流体动力学过程，还包括复杂的化学反应动力学过程。两者互相影响、互相耦合。爆轰还伴随着热、光、电等效应21。爆轰同周围介质相互作用时，周围介质中会产生激波或应力波，推动物体运动，造成物体破坏。人们通常把燃烧（即爆燃）和爆轰联系起来考察。爆轰同燃烧最明显的区别在于传播速度不同。燃烧时火焰传播速度在0.00110m/s的量级,小于燃烧物料中的声速；而爆轰波传播速度则在100010000m/s的量级，大于物料中的声速22。例如，化学计量的氢、氧混合物在常压下的燃烧速度为10m/s，而爆轰速度则约为2820m/s。爆轰中的化学反应过程高速释放能量。因此,爆轰的功率很大,高效炸药每平方厘米爆轰波阵面的功率高达 1010w。这个特点使爆轰成为一种独特的能量转换方式23。爆轰现象的研究通常包括爆轰的起爆、爆轰波的结构和爆轰同周围介质的相互作用等问题。1.3 爆轰推进的研究： 爆轰过程的热效率及其迅速的能量转换机理引起了人们的极大兴趣。爆轰推进的相关研究可以追溯到二十世纪三、四十年代,其中christopher m 1940的工作是有开创意义的24。他采用不同的燃料首次进行了脉冲爆轰发动机(pulse detonation engine,简称pde)原理实验。giraud m等人于是1957年从理论分析和简单实验着手,做了pde的可行性研究25。1962年, sasoh a在美国海军试验室进行了乙炔/氧气的爆轰推进实验,但由于起爆能量不足,其研究的结论尚待探讨26。1986年美国海军研究院的s m frolov.v s aksenov继续了这项研究,并在实验中引入了自吸式pde和预燃起爆的概念27。1.4 旋转爆轰发动机研究意义：旋转爆轰发动机（如图1.2所示）由于其爆轰波一直处于运动状态，并长期存在于燃烧室中，故无需高速来流和不停顿的点火，也不产生因爆轰出口而诱导的噪音28。可以说，在推进方面，旋转爆轰同时具备了脉冲爆轰和驻定爆轰的某些优点，既可以零起动，又没有出口爆轰产生的噪音，且爆轰产物的污染很小，热效率更高，结构更简单，推重比更大，工作范围更宽，可加装喷管产生矢量推力，增加飞行的机动性，可用于导弹和宇航运载飞行器等方面的新型动力装备29，是理想的爆轰推进方式，故拥有广阔的应用前景。 图1.2 旋转爆轰发动机示意图1.5 旋转爆轰发动机的结构：旋转爆轰发动机的结构如1.3图所示爆轰波在环形燃烧室中紧贴燃料注入面传播并消耗波前预混气体，波后流场压力下降到与进气压力相同时，燃料开始注入，随着燃料持续的注入，爆轰波前始终有预混气体存在，就能保证爆轰波持续稳定的旋转。波后燃烧产物通过膨胀经由轴向至开口端排出，从而产生推力。由于爆轰波在夹层中连续旋转，其在燃烧室内的工作频率能达到1-10khz的范围。燃烧室的结构如图1.4所示。 图1.3 旋转爆轰发动机总装结构图 图1.4 进气燃烧室结构示意图1.6 单向引燃设计：1.6.1 燃烧室结构图1.5 燃烧室结构示意图对于直接起爆混合气体,起爆系统固然起着很大作用,但爆轰燃烧室的作用也是非常重要的，爆轰燃烧室如图1.5所示。在燃烧室里有三个主要的物理过程:空气/燃料混合,可燃气体起爆和爆燃到爆轰的过渡过程(ddt)30。这些过程和pde的热效率紧密相关。为了充分利用爆轰过程的热效率,像预旋混合增强,激波会聚辅助起爆,都是缩短ddt过程提高热效率的有效方法。1.6.2 单向引燃设计的必要性根据点火方式的不同可以分为两类设计 (1) 导管点火单向引燃由导管的一端点燃，无需脉冲点火，经过导管内部的扰片，燃烧会逐渐变为爆轰，该方案的优点是简单易行，无需脉冲点火，缺点是需增加1米左右的导管，且导管与燃烧室的连接需要进行结构分析，同时也要注意导管与燃烧室连接的方向，确保爆轰的定向性。 (2) 脉冲点火单向引燃通过燃烧室顶部的一个脉冲点火器进行点火，由于点火点点燃后会以球状向四面八方扩散，在充满燃气的燃烧室内，不能保证爆轰的定向性，所以要通过一些结构设计，使爆轰具有定向性，增加爆轰的稳定性以及燃料的利用效率。1.7 旋转爆轰发动机单向引燃的设计意义：1、从理论的角度出发，不断的探索创新，在现有的材料与技术的支持下，通过结构的改进来提高爆轰燃烧的稳定性；2、另一方面，在不考虑材料限制的基础上进行结构设想，以便于在今后的科技发展中如果出现了可以替代的材料就可以解决类似的单向引燃设计问题；3、单向引燃的设计不仅为旋转爆轰发动机提供了一个设计模型，同时也为其他类似燃烧室提供了一个设计样本；4、单向引燃可以避免燃烧的不可控性，确保爆轰的定向性，这样就可以提高爆轰发动机的性能，更稳定、更快速地提供推进力，对于今后的科研探索及市场需求，具有广阔的应用前景。第2章 ：犀牛简介2.1 犀牛特点：（1） 背景概述： rhino，又叫犀牛，是一款小巧强大的三维建模工具，大小才一百多兆，硬件要求也很低。不过不要小瞧它，它包含了所有的nurbs建模功能，用它建模感觉非常流畅，所以大家经常用它来建模，然后导出高精度模型给其他三维软件使用。rhino3d nurbs(non-uniform rational b-spline)非均匀有理b样条曲线。是一个功能强大的高级建模软件；也是三维专家们所说的犀牛软件。rhino是由美国robert mcneel公司于1998年推出的一款基于nurbs为主三维建模软件。其开发人员基本上是原alias（开发maya的a/w公司）的核心代码编制成员。当今，由于三维图形软件的异常丰富，想要在激烈的竞争中取得一席之地，必定要在某一方面有特殊的价值。因此rhino就在建模方面向三维软件的巨头们(maya,soft image xsi,houdini,3dsmax,light wave等)发出了强有力的挑战。自从rhino推出以来，无数的3d专业制作人员及爱好者都被其强大的建模功能深深迷住并折服。首先，它是一个“平民化”的高端软件：不象maya,soft image xsi等“贵族”软件，必须在windows nt或windows 2000，windows xp，甚至sgi图形工作站的irix上运行，并且还要搭配价格昂贵的高档显卡；而rhino所需配置只要是windows 95，一块isa显卡，甚至一台老掉牙的486主机即可运行起来。其次，它不象其它三维软件那样有着庞大的身躯，动辄几百兆；而rhino全部安装完毕才区区20几兆。因此,着实的诠释了麻雀虽小,五脏俱全这一精神.并且由于引入了flamingo及bmrt等渲染器,其图像的真实品质已非常接近高端的渲染器.再次,rhino不但用于cad,cam等工业设计，更可为各种卡通设计，场景制作及广告片头打造出优良 的模型。并以其人性化的操作流程让设计人员爱不释手，而最终为学习solid thinking及alias打下一个良好的基础。总之；rhino3d nurbs犀牛软件是三维建模高手必须掌握的、具有特殊实用价值的高级建模软件。 (2) 行业应用rhino早些年一直应用在工业设计专业，擅长于产品外观造型建模，但随着程序相关插件的开发，应用范围越来越广，近些年在建筑设计领域应用越来越广，rhino配合grasshopper参数化建模插件，可以快速做出各种优美曲面的建筑造型，其简单的操作方法、可视化的操作界面深受广大设计师的欢迎。另外在珠宝、家具、鞋模设计等行业也应用广泛。 (3) 犀牛软件插件 各行业的专业插件：建筑插件easy site、机械插件alibre design、珠宝首饰插件tech gems（其它有：jewelerscad、rhino gold 、rhino jewel、matrix 6 for rhino 、smart3d stone setting）、鞋业插件rhino shoe、船舶插件orca3d、牙科插件dental shaper for rhino、摄影量测插件rhinophoto、逆向工程插件rhino resurf等（更多插件待更新）。 网格建模插件：t-spline。 渲染插件：keyshot、flamingo（火烈鸟）、penguin（企鹅）、v-ray 和brazil（巴西）等等（更多插件待更新）。 动画插件：bongo（羚羊）、rhino assembly等。参数及限制修改插件： rhino direct。2.2 犀牛界面 犀牛的默认界面如图2.1所示 图2.1 犀牛界面有过 3d 软件基础的话，rhino 的这些功能区我们根据名字可以很快掌握 它们的作用，我简单介绍下：菜单栏如图2.2所示：可以在此找到绝大部分的犀牛命令。图 2.2 犀牛菜单命令命令行和命令历史窗口：不同于autocad，它是位于软件界面上方，（个人感觉更符合视觉习惯），同样类似于autocad，有很多命令参数您需要在命 令行窗口进行选择。（rhino的命令参数分为鼠标选择和参数输入两种，后面会遇到。）。建模区：默认是4个视图窗口，双击某个视图标题它将放大，再双击一次它将还原。关于视窗在后面会具体讲解。状态栏：提供坐标、长度、当前图层和辅助选项等信息。类似于我们习惯的 sketchup、autocad，rhino 具有非常友好操作界面， 而且除了菜单栏，其他窗口都是可以被拉出来随意置放或者浮动的，对于界 面的定制一切可根据您的喜好来，譬如我们可以将界面摆成图2.3这样：图2.3 自定义犀牛界面2.3 犀牛功能介绍： 2.3.1 犀牛主体工具： 实体工具实体工具集中主要是有三类工具,如图2.4所示：布尔运算工具、抽面工具、倒角工具。 rhino工具实在太多，而且分得很细，我们只需要记住每一类型的工具位置就好，700多个工具我们不可能全部用上，而且我们平时只会接触到常用的一些工具，因此rhino 更深的奥秘还需要我们不断探索。图2.4 犀牛实体工具栏 实体工具集功能及主要使用方法如下：布尔运算：布尔运算包括三种形式并集、交集、差集（包括a-b和b-a）。分别对应犀牛的（booleanunion）、（booleanintersection）、 （booleandifference） 我们来对图2.5的这个方块和球体进行布尔运算。图2.5 犀牛布尔运算案例求并集的结果如图2.6所示：图2.6 犀牛布尔运算并集示意图炸开可以发现它们中间重合的部分被删去了如图2.7所示：图2.7 犀牛布尔运算并集结果图 对它们求差集（方块减去球体）如图2.8所示：图2.8 犀牛布尔运算差集结果图 处理空间位置的工具1）复制 在 rhino 中可以通过以下几种方式进行复制： a 选择一个物体并进行拖动后，按住 alt 即可复制出来一个物体进行移动， 这是最为简单的复制方法。b 选择物体之后，按住 ctrl+c 再按 ctrl+v，物体将重合复制一次。 c 在旋转，缩放、移动物体时，选择 c 参数可复制物体。d copy 命令进行复制。2）镜像镜像命令为（mirror），讲到镜像命令，很多同学发现sketcup 中没有镜像命令，是不是只能通过插件实现？su中最简单的镜像命令是在进行缩放变形时沿绿色轴或者红色轴缩放成-1。3）阵列这是 cad 上很常用的一个命令，我们想一次性复制很多物体，而且是有 规律的复制，使用复制命令那太麻烦了，因此出现了阵列命令。 阵列可分为矩形阵列、环形阵列、沿着曲线阵列、沿着曲面阵列、沿着曲面 上的曲线阵列等。矩形阵列：命令为（array），如图2.9所示，使用该命令步骤如下：选择阵列物体，然后分别输入 x、y、z 方向上的阵列数目，再分别输入x、y、z 方向上的阵列间距。图2.9 矩形阵列环形阵列（arraypolar）：如图2.10所示，其用法为：选择阵列物体，确定环形阵列中心点（物体和中心点的距离即是阵列的半径）、输入阵列个数，确定阵列角度（默认为 360）。图2.10 环形阵列另外 rhino 还支持沿曲线阵列及沿曲面阵列，如图2.11和2.12所示：图2.11 沿曲线阵列图2.12 沿曲面阵列 2.3.2 犀牛辅助工具 图层控制图层不只是 cad 软件才拥有的功能，在 3d 软件当中使用图层也可以更好 地管理场景。尤其是当场景非常复杂的时候，对模型进行分类分层是非常必要的，不仅是方便的问题。一开始学习时就能对图层的正确使用可以帮助我们建立良好的建模习惯，让我们的模型具有强的可读性，有利于我们和他人的配合。点击标准工具栏上的按钮，我们可以打开图层工具。图层工具按钮还可以打开一个工具集，工具集如图2.13所示，但这些功能我们平时几乎是用不到的。 图2.13 图层的相关工具栏我们若希望更改物体图层，我们选择物体之后，右键某个图层，就可以 将其复制或更改到所选图层。图层面板上的前三个按钮分别是新建图层、新建子图层和删除 图层。图层面板中的这两个三角箭头可以对图层进行排序。是将子 图层移到最近一个父图层。这两个工具分别为图层过滤器和图层选取器。一般不常用，除非 当您的场景有大量的图层以致于难以管理时可以使用这两个工具。 物件属性物件属性工具位于标准工具栏上的按钮。在默认渲染器和没有特殊 插件的情况下，工具板的相应功能如图2.14所示，物件属性工具面板包含物件、材质和纹理映射三个子面板。 图2.14 工具面板相应功能以上对于犀牛的介绍是基于这次设计建模过程中用到的功能，犀牛软件博大精深，基本工具就有700多种，所以，本文就不对其进行赘述，有兴趣的可以自己研究，掌握这一项技能还是很有用途的。第3章 ：单向引燃设计3.1 基于普通点火的单向引燃设计由于是普通点火，因而初始的燃烧状态是稳定，这也就意味着我们需要将一个普通燃烧经过一段“加工”，进而在进入燃烧室的时候是爆轰燃烧。方案一：基于以上分析，我在燃烧室的边缘切向处引入了一个长约1米的矩形截面长导管，在导管中加入扰流片，以达到干扰正常燃烧的作用，使燃烧不稳定，进一步的产生压力差，进而产生爆轰波。燃烧在直通管道中是稳定的向前传播的，当遇到扰流片时，燃烧会变得不稳定，燃烧会加剧，温度升高，使得声速也变高，当后面的燃烧推进至该扰流片的时候，速度就会进一步提升，这样，后面的燃烧会追上前面燃烧传播的速度，最终聚集在一个压力面上，这就产生了爆轰波，这个过程也叫做ddt。具体细节如图3.1所示： 图3.1 设计方案一总示意图 这个方案要注意的地方是导管一定要与燃烧室相切，这样，从导管口产生的爆轰波在燃烧室壁面的束缚下沿着内壁面旋转，从而达到定向引燃的目的。图3.2 导管与燃烧室的连接部分 图中红色的部分即是扰流片，扰流片细节如图3.3所示，黄色部分即是点火点。图3.3 扰流片细节部分该方案的优点是：无需脉冲点火，减少点火的能量，结构简单，操作方便易行。该方案的缺点是：在实际操作中，由于导管较长，在爆轰发动机的结构设计中若增加导管的设计，则显得有些冗余；同时在结构简单的同时我们也看到了导管与燃烧室的接合点需要精密设计，一方面是导管与燃烧室的切向设计，另一方面是在爆轰波已经传播至燃烧室后需讲连接口关闭，以保证燃烧室内的爆轰燃烧能正常运行。3.2 基于脉冲点火的单向引燃设计因为是脉冲点火，这是个高能量的点火，它能直接点燃燃料，从而产生爆轰波，在燃烧室内进行持续的旋转爆轰燃烧。由于点燃的是一个点，这样就进一步简化了我们的引燃器的设计过程，无需再考虑爆轰波的产生过程。燃烧的条件有：燃料、助燃剂、着火点。我们已经有的是着火点，接下来需要设计的部分就是燃料和助燃剂这两部分，由于我们要做的是单向引燃的设计，所以只要控制燃料的流向或者助燃剂的流向就能打到控制爆轰燃烧方向的目的。方案二： 通过阻隔燃烧的一个方向来达到燃烧的定向性的目的。图3.3 设计方案二总示意图图3.3中燃烧室内充满了预混燃气，能够一点既燃，红色部分是两片塑料薄膜，内部充满了不可燃的惰性气体，黄色部分是脉冲点火点。因为图示关系，所以将两片薄膜的间度放大了，在实际的结构中，两片薄膜是非常靠近的。从绪论中可以知道，爆轰波的传播速度是1000m/s2000m/s，这也就意味着预混气体在点燃的一瞬间，爆轰波就能沿着燃烧室的管道，到达薄膜的另一边，因为薄膜中充满了不可燃的惰性气体，所以在点燃的一瞬间，燃烧在这一方向上是阻断的，仅仅是阻断的一小段时间，爆轰波就能到达薄膜的另一边，完成旋转爆轰的一个循环，图3.4是点火点的细节部分。图3.4 方案二薄膜的细节展示该方案的优点是：结构简单，在安装过程中易操作，对燃烧室的改造少，不会造成对燃烧的干扰，同时，这种方案经济性较高，利于推广。该方案的缺点是：薄膜需要靠的很近，在实际操作中往薄膜中充惰性气体难度较大，同时，薄膜燃烧后的燃烧产物是否会对接下来的 旋转爆轰产生影响需要进一步的考究。方案三： 通过预混燃气的定向流动来达到一个单向引燃的效果。 图3.5 设计方案三总示意图该方案是通过对燃烧室壁面的改造，对内部的预混燃气进行一个前期的加速处理，理论上来说，当燃气的流动速度大于爆轰波的传播速度的时候，该设计就能起到一个定向引燃的作用。图3.5中红色部分表示的是活动的翻板，是能够通过传感器控制的翻板，在刚开始运行的时候，燃烧室壁面的翻板翻起，对内部的预混燃气进行加速旋转，当加速到一定速度时，由测速传感器控制关闭翻板，然后进行脉冲点火，这样在理论上就能达到一个定向引燃的效果。在实际操作中，翻板的设计，传感器的安放，构件与构件之间的连接缝隙，都是应当注意的部分。 图3.6 方案三的细节展示图3.6中的黄色部分即为脉冲点火点。该方案的优点是：预混燃气是纯净的，不添加其他气体杂志，利于燃烧的稳定性。该方案的缺点是：首先是结构方面，由于翻板较多，各个构件衔接的地方的缝隙不容易控制好，在传感器给出信号后，所有翻板合起来有一个短暂的时间空白，可能会引起预混燃气的速度减慢，达不到爆轰波传播的速度；然后是容易出现故障，在实际操作中，众多翻板中只要有一块在该闭合的时候没有闭合，就会引起连锁反应，导致严重的后果；最后就是理论与实际的冲突，该方案在理论上是可行的，但在实际操作中，爆轰波的传播速度是一千多米每秒，我们要将预混燃气加速到一千多米每秒，在设备上就难以实现，另外在突破音速的过程中会有音爆产生，这对燃烧室的内部结构的稳定是一个非常大的挑战，也许在将来找到一种更坚硬的合金的基础上，这个方案才能够讲理论与实际融合。方案四： 通过对预混燃气的短时间约束来达到定向引燃的效果。图3.7 设计方案四的总示意图图3.7中蓝色和紫色方块所表示的是强磁场。在燃烧室中充满燃气，在很短的一段时间内通过气体放电来使得磁场中的一小部分预混燃气电离，利用强磁场的约束作用，在极短的一段时间内达到左右燃气暂时性的分开，立即冲入助燃剂，进行脉冲点火，点火后立即撤去强磁场。气体放电原理干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体31。这时如在气体中安置两个电极并加上电压，气体在强电场作用下，少量初始带电粒子与气体原子（或分子）相互碰撞，当碰撞能量超过某一临界值时，会使束缚电子脱离气体原子而成为自由电子32。逸出电子后的原子成为正离子，使气体中的带电粒子增值，这时有电流通过气体，这个现象称为气体放电33。依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。主要的形式有暗放电34、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等35。气体放电的基本物理过程气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本过程是：激发、电离、消电离、迁移、扩散等36。基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状。汤生放电理论37，如图3.8所示一种描述低气压（约104帕以下）条件下气体击穿的理论。在极间电场足够大时，电子在电场中获得足够能量使气体粒子产生激发和电离，新生的电子和离子在电场作用下又获得能量产生激发和电离，以致电子向阳极运动过程中带电粒子浓度按指数规律增长，这种现象称电子雪崩或电子繁流38。在这过程中所产生的正离子向阴极运动，又会使阴极产生二次电子发射，又增长了电子繁流过程，直至所产生的二次电子发射等于初始电子发射，此时即使撤离外致电离源也能维持放电39，由此推得放电自持的条件是：(ed-1)=1，其中是正离子轰击阴极的二次电子射系数，是电子在电场方向运行单位距离所产生的电离数，即电离系数，d是极间距离。等离子体概念等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体40。图3.8 汤逊理论示意图图3.9 方案四的细节展示 图3.9中黄色部分即为脉冲点火点。该方案的优点是：在现有设备的基础上该方案可以实现，同时，利用磁约束装置可以更好的控制这中间的时间间隔，便于脉冲点火的实际操作，另外，该方案对旋转爆轰的影响可以说基本没有，没有对燃烧室的改造，更大程度上的保证了爆轰燃烧的稳定进行。该方案的缺点是：首先是气体放电的过程，无论是高压电击还是高温使其成为等离子态，在一定程度上，都可能在冲入助燃剂的过程中引起燃烧，这是要注意的过程，在实际操作中，助燃剂怎样加入，何时加入需要慎重考虑；其次是气体结构问题，在形成等离子态的过程中，部分燃气中的共价键会遭到破坏，这种破坏会不会影响到燃烧的进行，会不会出现一些意外的情况，这也需要我们注意；最后就是强磁场的控制问题，这种磁约束的控制强度的大小，以及控制时间的长短需要通过实验来探究，因为强磁场的产生需要消耗很大的能量，从经济效益的角度出发，控制强磁场的强度及时间跨度也是需要考虑的部分。方案五：图3.10 设计方案五的总示意图如图3.10所示，圆环管中充满惰性不可燃气体，中心圆球处是预混燃气，在开始时，轨道与圆环管的衔接阀门开启，预混燃气开始向圆环管的单向移动，当图中红色部分，即传感器检测到预混燃气时，立即关闭阀门，在黄色脉冲点火点处点火，如图3.11所示，这样就形成了一个旋转脉冲爆轰的循环。 图3.11 方案五的具体细节图该方案的优点是：结构简单，操作方便，产生的单向引燃的效果显著，可行性高,结构设置合理，从现实的角度出发易实现，同时从技术的角度出发简单易行，从爆轰发动机整体性出发，该方案容易改造，且能重复利用。该方案的缺点是：传感器的检测延迟时间需要考虑，同时，传感器的安装位置要在距离阀门四分之一圆的地方，这样就可以解决信号延迟问题，也可以给点燃一个充分的时间；还有要考虑的就是轨道与圆环管燃烧室连接的地方的密封性，原本的设计是将燃料和助燃剂分为两个轨道冲入燃烧室中的，但是考虑到燃烧室的密封性，轨道与燃烧室衔接的阀门越少越好，所以对方案进行了改进，改成了现在的预混燃气，虽然已经改进了设计，但阀门的密封性和抗压性仍然需要考虑。第4章 ：全文总结和展望4.1 本文的设计总结本文对旋转爆轰发动机做了简单的介绍，同时，也对这次设计用到的犀牛软件的相关功能也进行了简要的介绍，重点是对本次设计进行了详细的图解和分析，主要从不同的点火方式来划分方案。（1） 直接点火，通过导管引发爆轰波，以切向冲入圆环管燃烧室，简单的实现了单向引燃的设计。（2） 脉冲点火，简化了点火装置，通过控制燃料的方向或者助燃剂的方向，亦或是燃烧的方向来控制爆轰波的传播方向，本文用了四种不同的方案来实现这个设计。 本文的创新之处：一直以来，学者们的关注重点都是旋转爆轰的三维数值模拟和整体爆轰发动机的设计，忽视了简单却很重要的点燃过程，本文就是通过设计来实现单向引燃，从实际的角度出发，解决实际问题。4.2 对今后工作的展望本文的设计很大程度上是根据现有的一些技术来实现的，有的甚至是基于理论研究，在实际操作中有一定的困难，今后的工作就是关注材料和结构的实时研究，不断的去探索新的方法，也不断的去把设计方法实际化，正真的能把理论设计与实际相结合。致 谢本文是在导师潘振华的悉心指导下完成的，从论文的选题到最终定稿的每一个环节无不渗透着导师的心血;在半年多时间里，导师对于我在工作和生活中遇到的困难给予了很多的关心和帮助，使我在科研的实践中不断得到锻炼，增强了解决问题的能力;同时他精益求精的治学态度、严谨的工作作风、勇于创新的科学精神也使学生深受影响并将终身受益。在此，特向导师潘振华致以崇高的敬意和衷心的感谢!感谢新能源0902的全体同学，在与他们的朝夕相处和共同学习、交流中，我受益匪浅!谨以此文献给我尊敬的父母，他们的鞭策和鼓励是我人生进步的不竭动力!最后，我想用一句话来表达我此时此刻的心情，同时也结束本文:宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来！参考文献1. 归明月, 范宝春, 张旭东, 潘振华, 姜孝海；旋转爆轰的三维数值模拟；南京理工大学报，20092. 挥寿榕，赵衡限；爆炸力学.第1版.北京:国防工业出版社，20053. 张旭东，范宝春，潘振华，归明月；旋转爆轰胞格结构的实验及数值研究；南京理工学报，20094. 邵业涛, 王健平, 唐新猛, 石天一；连续旋转爆轰发动机流场三维数值模拟；北京大学出版社，20015. krzychi,l.j.,performance characteristics on an intermittent detonative combustion, ad-284312, u.s. naval ordnance test station,china lake, ca, june 19626. 范宝春；两相系统的燃烧、爆炸和爆轰.第1版.北京:国防工业出版社，19987. nicholls ,j.a. ,wilkinson,h.r., and morrison,r.b., intermit-tent detonation as a thrust-producing mechanism,jet propulsion,1957,27(5):5348. heldman, d., shreeve, r. p., and eildman, s., detonation pulse engines, 1986, aiaa paper 86-1683 9. francois falempin & emeric daniau mbda, le plessis-robinson & bourges, france；a contribution to the development of actualcontinuous detonation wave engine,196810. 周蕊，王健平；连续爆轰发动机热力学性质的数值模拟；北京大学出版社，199911. 邵业涛, 王健平；连续爆轰发动机的二维数值模拟研究；北京大学出版社，199812. 孟宪昌 张俊秀. 爆轰理论基础m. 北京: 北京理工大学出版社, 198813. 范宝春. 两相系统的燃烧、爆炸和爆轰m. 北京: 国防工业出版社, 199814. 孙锦山, 朱建士. 理论爆轰物理m. 北京: 国防工业出版社, 199515. white d r. turbulent structure of gaseous detonation j. physics of fluids, 1961, 4(4): 465-48016. fickett w, davis w c. detonation: theory and experiment m. berkeley: university of california press, 197917. 韩启祥，王家弊，王波.预混气爆震管中爆燃到爆震转挨距离的研究推进技术.2003(1):64-6618. 黄希桥，严传俊，脉冲爆