【正文】 江蘇大學(xué) JIANGSU UNIXERSITY 課題：基于連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機(jī)中單向引燃技術(shù)研究 學(xué) 院： 能源與動力工程學(xué)院 專業(yè)班級： 新能源 0902 班 學(xué) 號： 3090205048 學(xué)生姓名： 潘君陽 指導(dǎo)老師： 潘振華 起止日期： 2022 年 12 月 —2022 年 6 月 1 摘 要 簡要介紹爆轟燃燒的基本原理以及其在能源、航空、航天等領(lǐng)域 中的應(yīng)用背景，爆轟發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷程以及爆轟發(fā)動機(jī)的分類，分析一些關(guān)鍵技術(shù)的難點(diǎn)，針對難點(diǎn)進(jìn)行一些設(shè)計的展望。 重點(diǎn)介紹旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機(jī)，因為旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機(jī)是一種新型的爆轟發(fā)動機(jī)。在推進(jìn)方面，旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機(jī)同時具備了脈沖爆轟發(fā)動機(jī)和駐定爆轟發(fā)動機(jī)的某些優(yōu)點(diǎn)，既可以零起動，又沒有出口爆轟產(chǎn)生的噪音，且爆轟產(chǎn)物的污染很小，具有廣闊的應(yīng)用前景。 對旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要的介紹，同時針對脈沖點(diǎn)燃的弊端進(jìn)行單向引燃的設(shè)計，根據(jù)點(diǎn)燃方式的不同分為兩大類的 設(shè)計，一種是由導(dǎo)管連接燃燒室的設(shè)計，只需普通點(diǎn)燃就可以在燃燒室形成爆轟波；另一種是根據(jù)脈沖點(diǎn)火的特性，從限制燃燒方向和燃料方向的角度出發(fā)，設(shè)計出單向引燃。本文將對該設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)解釋，并對各個設(shè)計的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡要的分析。 關(guān)鍵詞： 爆轟燃燒、旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機(jī)、單向引燃 2 Abstract Briefly the basic principles of bustion 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 bustion 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 bustion chamber by a catheter design, can be just an ordinary ignition detonation wave is formed in the bustion 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 bustion、 Rotating detonation engine、 Unidirectional ignition 3 目錄 第一張：緒論 ……………………… …………………………………… 1 、爆轟理論基礎(chǔ) …………………………………………………1 、爆轟燃燒的基本原理 ………………………………………… .4 、爆轟推進(jìn)的研究 ……………………………………………… ..4 、旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機(jī)研究意義 …………………………………… ..5 、旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu) ……………………………………… ..5 、單向引燃設(shè)計 ………………………………………………… ..6 、燃燒室結(jié)構(gòu) …………………………………………… ...6 、單向引燃設(shè)計的必要性 ……………………………… ...7 、旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機(jī)單向引燃的設(shè)計意義 ……………………… ..8 第二章：犀牛簡介 ……………………………………………………… ...9 、犀牛特點(diǎn) ……………………………………………………… ....9 、犀牛界面 ……………………………………………………… ..10 、犀牛功能介紹 ………………………………………………… ..12 、犀牛主體工具 ………………………………………… ...12 、犀牛輔助工具 ………………………………………… ...16 第三章：單向引燃設(shè)計 ………………………………………………… .19 、基于普通點(diǎn)火的單向引燃設(shè)計 ……………………………… ..19 、基于脈沖點(diǎn)火的單向引燃設(shè)計 ……………………………… ..21 第四章 ：全文總結(jié)和展望 ……………………………………………… .30 致 謝 …………………………………………………………………… .31 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………… .32 1 第一章：緒論 一、 緒論 爆轟理論基礎(chǔ) 燃燒過程可以產(chǎn)生爆炸，燃燒導(dǎo)致的爆炸可以按照燃燒速度分為兩類： 爆炸性混合氣體的火焰波以低于聲速傳播的燃燒過程稱為爆燃； 爆炸性混合氣體的火焰波在管道內(nèi)以高于聲速傳播的燃燒過程稱為爆轟 [1]。《宋史》中有這樣的記載 :“乃令所都人擁一火炮燃之，聲如雷霆，震城土皆崩，煙氣漲天外，兵多驚死者 ”。上述文字描述了爆炸導(dǎo)致的城墻和房屋的破壞以及對人的傷害。而西方國家直到 13 世紀(jì)才開始應(yīng)用由阿拉伯傳入到歐洲的火藥知識 [2]，比中國晚了 300~500年。雖然中國古代文明在爆炸領(lǐng)域做出了卓越的貢獻(xiàn)，但近代爆炸力學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)卻是在 19 世紀(jì)以來由歐洲學(xué)者們完成的。瑞典人諾貝爾制成了硝化甘油系列的混合炸藥，并于 1865 年發(fā)明了雷管，實現(xiàn)了 “爆轟 ”，開創(chuàng)了爆炸應(yīng)用的新時期 [3]。隨著兩次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)以及爆炸的工業(yè)應(yīng)用，爆轟學(xué)科的理論基礎(chǔ)逐步在形成。人們逐漸認(rèn)識到爆轟的本質(zhì)是伴有化學(xué)反應(yīng)的沖擊波，前沿沖擊波作用在含能材料上，在高溫高壓條件下誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)，釋放的能量支持沖擊波繼續(xù)推進(jìn)，力學(xué)效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)互相禍合使得爆轟波的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜 [4]。 19 世 紀(jì)末， Krzychi, [5]等人在實驗研究氣相爆轟的基礎(chǔ)上，提出了 CJ 理論[6]，該理論將爆轟波中的化學(xué)反應(yīng)區(qū)縮為一個強(qiáng)間斷面，使得可以用流體力學(xué)方法處理爆轟波，而不必考慮化學(xué)反應(yīng)的過程。 20 世紀(jì) 40 年代， Nicholls , [7]、Heldman, D [8]和 Francois Falempin [9]各自獨(dú)立地提出了簡單的爆轟波結(jié)構(gòu)模型，稱為 ZND 模型 [10]。該模型不像 CJ 理論那樣把爆轟區(qū)簡單地看成一個間斷面，而是認(rèn)為爆轟波由沒有化學(xué)反應(yīng)的沖擊波和連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)區(qū)組成。 ZND 模型顯然要比 CJ 理論更符合實際情況，但由于 CJ 理論簡單易用，所以至今還在被廣泛使用[11]。 以下是簡單介紹 CJ 理論和 ZND 模型： 1） CJ 理論 2 這一理論是借助氣體動力學(xué)原理來闡釋的 [11]。他們提出如下假定： （ 1）沖擊波與化學(xué)反應(yīng)區(qū)作為一維間斷面處理，反應(yīng)在瞬間完成，化學(xué)反應(yīng)速度無窮大，反應(yīng)的初態(tài)和終態(tài)重合，跨過波陣面激波守恒定律依然成立，流動或爆轟波的傳播是定常的； （ 2）間斷面：爆轟波理解為沖擊波，化學(xué)反應(yīng)區(qū)作為瞬間釋放能量的幾何面緊緊貼在沖擊波的后面，整個作為間斷面來處理，從間斷面流出的物質(zhì)已處于熱化學(xué)平 衡態(tài)，因此波后可用熱力學(xué)狀態(tài)方程來描述； （ 3）將爆轟波視為一維平面波，其藥柱直徑無限大，并忽略起爆端影響； （ 4）穩(wěn)定爆轟是定常的，即坐標(biāo)系可作為慣性系建立在波陣面上。 CJ 假設(shè)把爆轟過程和爆燃過程簡化為一個含化學(xué)反應(yīng)的一維定常傳播的強(qiáng)間斷面 [12]，對于爆轟過程，該強(qiáng)間斷面為爆轟波，對于爆燃過程則叫做爆燃波。將爆轟波或爆燃波簡化為含化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)間斷面的理論通常稱為 ChapmanJouguet 理論，簡稱 CJ 理論。 CJ 理論的關(guān)鍵不僅在于上述的 CJ 假定 , 還在于提出了爆轟波能夠定常傳播的約束條件 —CJ 條件 。所謂 CJ 條件 , 是指爆轟波陣面后方的狀態(tài)用沖擊 Hugoniot 線和 Rayleith 線 [13]的切點(diǎn)來描述 , 或直觀地表述為波陣面后方的流動速度等于聲速。由 CJ 條件可得到 CJ 方程，再結(jié)合流體力學(xué)的三個守恒方程（即質(zhì)量、能量和動量守恒方程），再加上爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)方程，就構(gòu)成了描述爆轟的封閉方程組，而狀態(tài)方程則取決于化學(xué)反應(yīng)度 [14]（ Degree of Chemical Reaction）。 CJ 理論是定常爆轟理想化的理論，盡管忽略了化學(xué)反應(yīng)的具體進(jìn)展過程，但它能成功用于爆轟理論分析，尤其爆轟波速度的計算。應(yīng)用 CJ 理論計算得出的氣體爆轟的爆速值與實測值相差只有 1％ ~2％ [15]。但是，對氣相爆轟進(jìn)行精密測量得到的爆轟壓強(qiáng)和密度值，比用 CJ 理論得到的值約低 10％ ~15％，對爆轟產(chǎn)物實測得到的馬赫數(shù)比計算得到的 CJ 值約高 10％ ~15％。 這表明 CJ 理論是一種近似理論。另外，炸藥的爆轟實際上存在一個有一定寬度的反應(yīng)區(qū)，而且有些反應(yīng)區(qū)的寬度相當(dāng)大，因此，將爆轟波僅僅看作一個強(qiáng)間斷面已不恰當(dāng)。這說明還須對爆轟波的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。 CJ 理論第一次給出了爆轟的物理模型和數(shù)學(xué)模型 [16]，反映了爆轟是化學(xué)反應(yīng)沖擊波傳播過程 這一本質(zhì)，從而奠定了爆轟研究的基礎(chǔ)，具有劃時代的意義。 3 爆轟波的 CJ 理論并沒有考慮到化學(xué)反應(yīng)的細(xì)節(jié)，認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)速率無限大，反應(yīng)瞬間完成，這和實際情況是不相符合的。由于對化學(xué)反應(yīng)細(xì)節(jié)進(jìn)行研究和描述十分困難，這就導(dǎo)致了人們至今都未能完全了解爆轟波的結(jié)構(gòu)和自持機(jī)理。而對爆轟波精細(xì)結(jié)構(gòu)和自持機(jī)理的研究 [17]，一直都是爆轟學(xué)的一個重要研究領(lǐng)域。 2） ZND 模型 與 CJ 理論相比， ZND 模型更接近實際情況 [18]。該模型認(rèn)為，爆轟時反應(yīng)物首先經(jīng)歷一個沖擊波的預(yù)壓縮過程，形成高溫高密度的壓縮態(tài)，然后才開始進(jìn)行化學(xué)反應(yīng) ，在經(jīng)歷一定時間后，化學(xué)反應(yīng)結(jié)束，達(dá)到反應(yīng)終態(tài)，產(chǎn)生爆轟產(chǎn)物。 ZND模型首次提出了化學(xué)反應(yīng)的引發(fā)機(jī)制，并考慮了化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)過程，是 CJ 理論的重要發(fā)展。 ZND 模型的物理構(gòu)像如圖 所示： 圖 ZND 模型的物理構(gòu)像 ZND 模型的基本假設(shè)有： （ 1）流動是一維的； （ 2）沖擊波是間斷面，忽略分子的輸運(yùn)（如熱傳導(dǎo)