【文章內容簡介】 矩形陣列 環(huán)形陣列 （ ArrayPolar）：如圖 所示，其用法為：選擇陣列物體，確定環(huán)形陣列中心點（物體和中心點的距離即是陣列的半徑）、輸入陣列個數(shù)，確定陣列角度（默認為 360176。）。 圖 環(huán)形陣列 16 另外 Rhino 還支持沿曲線陣列及沿曲面陣列，如圖 和 所示： 圖 沿曲線陣列 圖 沿曲面陣列 犀牛輔助工具 ? 圖層控制 圖層不只是 CAD 軟件才擁有的功能 ，在 3D 軟件當中使用圖層也可以更好 地管理場景。尤其是當場景非常復雜的時候，對模型進行分類分層是非常必要的，不僅是方便的問題。一開始學習時就能對圖層的正確使用可以幫助我們建立良好的建模習慣，讓我們的模型具有強的可讀性，有利于我們和他人的配合。 點擊標準工具欄上的 按鈕，我們可以打開圖層工具。 圖層工具按鈕還可以打開一個工具集，工具集如圖 所示，但這些功能我們平時幾乎是用不到的。 17 圖 圖層的相關工具欄 我們若希望更改物體圖層，我們選擇物 體之后，右鍵某個圖層，就可以 將其復制或更改到所選圖層。 圖層面板上的前三個按鈕 分別是新建圖層、新建子圖層和刪除 圖層。 圖層面板中的 這兩個三角箭頭可以對圖層進行排序。 是將子 圖層移到最近一個父圖層。 這兩個工具分別為圖層過濾器和圖層選取器。一般不常用，除非 當您的場景有大量的圖層以致于難以管理時可以使用這兩個工具。 ? 物件屬性 物件屬性工具位于標準工具欄上的 按鈕。在默認渲染器和沒有特殊 插件的情況下，工具板的相應功能如圖 所示，物件屬性工具面板包含物件、材質和紋理映射三個子面板。 圖 工具面板相應功能 18 以上對于犀牛的介紹是基于這次設計建模過程中用到的功能，犀牛軟件博大精深，基本工具就有 700 多種，所以，本文就不對其進行贅述，有興趣的可以自己研究，掌握這一項技能還是很有用途的。 19 第三章 ：單向引燃設計 基于普通點火的單向引燃設計 由于是普通點火，因而初始的燃燒狀態(tài)是穩(wěn)定，這也就意味著我們需要將一個普通燃燒經(jīng)過一段 “加工 ”，進而在進入燃燒室的時候是爆轟燃燒。 方案一： 基于以上分析，我在燃燒室的邊緣切向處引入了一個長約 1 米的矩形截面長導管，在導管中加入擾流片，以達到干擾正常 燃燒的作用，使燃燒不穩(wěn)定，進一步的產(chǎn)生壓力差，進而產(chǎn)生爆轟波。 燃燒在直通管道中是穩(wěn)定的向前傳播的，當遇到擾流片時，燃燒會變得不穩(wěn)定，燃燒會加劇，溫度升高，使得聲速也變高，當后面的燃燒推進至該擾流片的時候，速度就會進一步提升，這樣，后面的燃燒會追上前面燃燒傳播的速度，最終聚集在一個壓力面上，這就產(chǎn)生了爆轟波，這個過程也叫做 DDT。 具體細節(jié)如圖 所示： 圖 設計方案一總示意圖 這個方案要注意的地方是導管一定要與燃燒室相切，這樣，從導管口產(chǎn)生的爆轟 波在燃燒室壁面的束縛下沿著內壁面旋轉，從而達到定向引燃的目的。 20 圖 導管與燃燒室的連接部分 圖中紅色的部分即是擾流片，擾流片細節(jié)如圖 所示，黃色部分即是點火點。 圖 擾流片細節(jié)部分 該方案的優(yōu)點是：無需脈沖點火，減少點火的能量，結構簡單，操作方便易行。 該方案的缺點是：在實際操作中，由于導管較長，在爆轟發(fā)動機的結構設計中若增加導管的設計，則顯得有些冗余；同時在結構簡單的同時我們也看到了導管與燃燒室的接合點需要精密設計，一方面是導管與燃燒室的切向設計，另一方面是在爆轟波已經(jīng)傳 播至燃燒室后需講連接口關閉，以保證燃燒室內的爆轟燃燒能正常運行。 21 基于脈沖點火的單向引燃設計 因為是脈沖點火，這是個高能量的點火，它能直接點燃燃料，從而產(chǎn)生爆轟波，在燃燒室內進行持續(xù)的旋轉爆轟燃燒。 由于點燃的是一個點，這樣就進一步簡化了我們的引燃器的設計過程，無需再考慮爆轟波的產(chǎn)生過程。 燃燒的條件有：燃料、助燃劑、著火點。我們已經(jīng)有的是著火點，接下來需要設計的部分就是燃料和助燃劑這兩部分，由于我們要做的是單向引燃的設計，所以只要控制燃料的流向或者助燃劑的流向就能打到控制爆轟燃燒方向的目的。 方 案二： 通過阻隔燃燒的一個方向來達到燃燒的定向性的目的。 圖 設計方案二總示意圖 圖 中燃燒室內充滿了預混燃氣，能夠一點既燃，紅色部分是兩片塑料薄膜，內部充滿了不可燃的惰性氣體，黃色部分是脈沖點火點。因為圖示關系，所以將兩片薄膜的間度放大了，在實際的結構中，兩片薄膜是非常靠近的。 從緒論中可以知道，爆轟波的傳播速度是 1000m/s—2022m/s，這也就意味著預混氣體在點燃的一瞬間，爆轟波就能沿著燃燒室的管道，到達薄膜的另一邊，因為薄膜中充滿了不可燃的惰性氣體，所以在點燃的一瞬間，燃 燒在這一方向上是阻斷的，僅僅是阻斷的一小段時間，爆轟波就能到達薄膜的另一邊，完成旋轉爆轟的一個循環(huán)，圖 是點火點的細節(jié)部分。 22 圖 方案二薄膜的細節(jié)展示 該方案的優(yōu)點是：結構簡單，在安裝過程中易操作，對燃燒室的改造少，不會造成對燃燒的干擾，同時，這種方案經(jīng)濟性較高，利于推廣。 該方案的缺點是：薄膜需要靠的很近，在實際操作中往薄膜中充惰性氣體難度較大，同時，薄膜燃燒后的燃燒產(chǎn)物是否會對接下來的 旋轉爆轟產(chǎn)生影響需要進一步的考究。 方案三： 通過預混燃氣的定向流動來達到一個單向引燃的效果。 圖 設計方案三總示意圖 23 該方案是通過對燃燒室壁面的改造，對內部的預混燃氣進行一個前期的加速處理，理論上來說，當燃氣的流動速度大于爆轟波的傳播速度的時候，該設計就能起到一個定向引燃的作用。 圖 中紅色部分表示的是活動的翻板，是能夠通過傳感器控制的翻板，在剛開始運行的時候，燃燒室壁面的翻板翻起，對內部的預混燃氣進行加速旋轉，當加速到一定速度時，由測速傳感器控制關閉翻板，然后進行脈沖點火，這樣在理論上就能達到一個定向引燃的效果。 在實際操作中，翻板的設計，傳感器的安放，構件與構件之間的連 接縫隙，都是應當注意的部分。 圖 方案三的細節(jié)展示 圖 中的黃色部分即為脈沖點火點。 24 該方案的優(yōu)點是：預混燃氣是純凈的，不添加其他氣體雜志，利于燃燒的穩(wěn)定性。 該方案的缺點是：首先是結構方面，由于翻板較多，各個構件銜接的地方的縫隙不容易控制好，在傳感器給出信號后，所有翻板合起來有一個短暫的時間空白，可能會引起預混燃氣的速度減慢，達不到爆轟波傳播的速度；然后是容易出現(xiàn)故障，在實際操作中，眾多翻板中只要有一塊在該閉合的時候沒有閉合，就會引起連鎖反應，導致嚴重的后果；最后就是理論與實際 的沖突，該方案在理論上是可行的，但在實際操作中，爆轟波的傳播速度是一千多米每秒，我們要將預混燃氣加速到一千多米每秒，在設備上就難以實現(xiàn)，另外在突破音速的過程中會有音爆產(chǎn)生，這對燃燒室的內部結構的穩(wěn)定是一個非常大的挑戰(zhàn)，也許在將來找到一種更堅硬的合金的基礎上，這個方案才能夠講理論與實際融合。 方案四： 通過對預混燃氣的短時間約束來達到定向引燃的效果。 圖 設計方案四的總示意圖 圖 中藍色和紫色方塊所表示的是強磁場。 在燃燒室中充滿燃氣，在很短的一段時間內通過氣體放電來使得磁場中的一小部 分預混燃氣電離，利用強磁場的約束作用，在極短的一段時間內達到左右燃氣暫時性的分開，立即沖入助燃劑，進行脈沖點火，點火后立即撤去強磁場。 氣體放電原理 25 干燥氣體通常是良好的絕緣體，但當氣體中存在自由帶電粒子時，它就變?yōu)殡姷膶w [31]。這時如在氣體中安置兩個電極并加上電壓，氣體在強電場作用下，少量初始帶電粒子與氣體原子（或分子）相互碰撞，當碰撞能量超過某一臨界值時，會使束縛電子脫離氣體原子而成為自由電子 [32]。逸出電子后的原子成為正離子，使氣體中的帶電粒子增值，這時有電流通過氣體，這個現(xiàn)象稱為氣體放電 [33]。依氣體壓力、施加電壓、電極形狀、電源頻率的不同，氣體放電有多種多樣的形式。主要的形式有暗放電 [34]、輝光放電、電弧放電、電暈放電、火花放電、高頻放電等 [35]。氣體放電的基本物理過程 氣體放電總的過程由一些基本過程構成，這些基本過程是：激發(fā)、電離、消電離、遷移、擴散等 [36]。基本過程的相互制約決定放電的具體形式和性狀。 湯生放電理論 [37]，如圖 所示 一種描述低氣壓（約 104 帕以下）條件下氣體擊穿的理論。在極間電場足夠大時，電子在電場中獲得足夠能量使氣體粒子產(chǎn)生激發(fā)和電離，新生的電子和離子 在電場作用下又獲得能量產(chǎn)生激發(fā)和電離，以致電子向陽極運動過程中帶電粒子濃度按指數(shù)規(guī)律增長，這種現(xiàn)象稱電子雪崩或電子繁流 [38]。在這過程中所產(chǎn)生的正離子向陰極運動，又會使陰極產(chǎn)生二次電子發(fā)射，又增長了電子繁流過程，直至所產(chǎn)生的二次電子發(fā)射等于初始電子發(fā)射，此時即使撤離外致電離源也能維持放電[39]，由此推得放電自持的條件是： γ(eαd1)=1，其中 γ 是正離子轟擊陰極的二次電子射系數(shù)， α 是電子在電場方向運行單位距離所產(chǎn)生的電離數(shù)，即電離系數(shù)， d 是極間距離。 等離子體概念 等離子體又叫做電漿，是由部分電子 被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負電子組成的離子化氣體狀物質，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導電體，利用經(jīng)過巧妙設計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體 [40]。 26 圖 湯遜理論示意圖 圖 方案四的細節(jié)展示 圖 中黃色部分即為脈沖點火點。 該方案的優(yōu)點是：在現(xiàn)有設備的基礎上該方案可以實現(xiàn)，同時，利用磁約束裝置可以更好的控制這中間的時間間隔，便于脈沖點火的實際操作，另外，該方案對旋轉爆轟的影響可以說基本沒有，沒有對燃燒 室的改造，更大程度上的保證了爆轟燃燒的穩(wěn)定進行。 27 該方案的缺點是：首先是氣體放電的過程，無論是高壓電擊還是高溫使其成為等離子態(tài)，在一定程度上，都可能在沖入助燃劑的過程中引起燃燒，這是要注意的過程，在實際操作中，助燃劑怎樣加入，何時加入需要慎重考慮；其次是氣體結構問題，在形成等離子態(tài)的過程中，部分燃氣中的共價鍵會遭到破壞，這種破壞會不會影響到燃燒的進行，會不會出現(xiàn)一些意外的情況，這也需要我們注意；最后就是強磁場的控制問題，這種磁約束的控制強度的大小，以及控制時間的長短需要通過實驗來探究，因為強磁場的產(chǎn)生需要消 耗很大的能量，從經(jīng)濟效益的角度出發(fā)，控制強磁場的強度及時間跨度也是需要考慮的部分。 方案五： 圖 設計方案五的總示意圖 如圖 所示，圓環(huán)管中充滿惰性不可燃氣體，中心圓球處是預混燃氣，在開始時，軌道與圓環(huán)管的銜接閥門開啟，預混燃氣開始向圓環(huán)管的單向移動，當圖中紅色部分，即傳感器檢測到預混燃氣時，立即關閉閥門，在黃色脈沖點火點處點火，如圖 所示，這樣就形成了一個旋轉脈沖爆轟的循環(huán)。 28 圖 方案五的具體細節(jié)圖 該方案的優(yōu)點是：結構簡單，操作方便，產(chǎn)生的單向引燃的效果顯著 ，可行性高 ,結構設置合理，從現(xiàn)實的角度出發(fā)易實現(xiàn)，同時從技術的角度出發(fā)簡單易行，從爆轟發(fā)動機整體性出發(fā)，該方案容易改造，且能重復利用 。 該方案的缺點是：傳感器的檢測延遲時間需要考慮，同時，傳感器的安裝位置要在距離閥門四分之一圓的地方，這樣就可以解決信號延遲問題，也可以給點燃一個充分的時間；還有要考慮的就是軌道與圓環(huán)管燃燒室連接的地方的密封性，原本的設計是將燃料和助燃劑分為兩個軌道沖入燃燒室中的，但是考慮到燃燒室的密封性，軌道與燃燒室銜接的閥門越少越好，所以對方案進行了改進，改成了現(xiàn)在的預混燃氣，雖然已經(jīng)改進 了設計，但閥門的密封性和抗壓性仍然需要考慮。 29 第四章 ：全文總結和展望 本文的設計總結 本文對旋轉爆轟發(fā)動機做了簡單的介紹，同時，也對這次設計用到的犀牛軟件的相關功能也進行了簡要的介紹，重點是對本次設計進行了詳細的圖解和分析，主要從不同的點火方式來劃分方案。 （ 1） 直接點火，通過導管引發(fā)爆轟波，以切向沖入圓環(huán)管燃燒室，簡單的實現(xiàn)了單向引燃的設計。 （ 2） 脈沖點火，簡化了點火裝置，通過控制燃料的方向或者助燃劑的方向，亦或是燃燒的 方向 來控制爆轟波的傳播方向，本文用了四種不同的方案來實現(xiàn)這個設計。 本文的創(chuàng)新之處： 一直以來，學者們的關注重點都是旋轉爆轟的三 維 數(shù)值模擬和整體爆轟發(fā)動機的設計，忽視了簡單卻很重要的點燃過程，本文就是通過設計來實現(xiàn)單向引燃，從實際的角度出發(fā)，解決實際問題。 對今后工作的展望 本文的設計很大程度上是根據(jù)現(xiàn)有的一些技術來實現(xiàn)的，有的甚至是基于理論研究，在實際操作中有一定的困難，今后的工作就是關注材料和結構的實時研究，不斷的去探索新的方法，也不斷的去把設計方法實際化，正真的能把理論設計與實際相結合。 30 致 謝 本文是在導師潘振華的悉心指導下完成的，從論文的選題到最終定稿的每一個環(huán)節(jié)無不滲 透著導師的心血 。在半年多時間里，導師對于我在工作和生活中遇到的困難給予了很多的關心和幫助，使我在科研的實踐中不斷得到鍛煉，增強了解決問題的能力 。同