爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 優(yōu)先權(quán)要求
[0002] 本申請(qǐng)要求2012年10月12日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)編號(hào)61/712, 972的優(yōu)先權(quán)， 其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及一種爆震駐波發(fā)動(dòng)機(jī)（standing detonation wave engine) 〇
【背景技術(shù)】
[0004] 氣相爆震波可以在各種幾何結(jié)構(gòu)中傳播并被其影響。在圓柱形剛性管中，所述傳 播在大直徑管中可以是多元胞（multi-cellular)爆震的形式，在中等直徑管中可以是以 旋轉(zhuǎn)爆震的形式，和/或在非常小直徑的管中可以是馳振爆震（galloping detonation)。 在各種寬高比的矩形橫截面通道中，類似的元胞模式或馳振模式也可以達(dá)到。在平行板之 間，當(dāng)板之間的間隙比所述板的橫向跨度小得多時(shí)，因?yàn)樵诖怪庇诎宓姆较蛏系臋M波被抑 制，可以實(shí)現(xiàn)二維元胞爆震。其他的構(gòu)造是那些在超音速流中穩(wěn)定的爆震，其可以與爆震推 進(jìn)和爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)題有關(guān)。
[0005] 爆震燃燒是燃燒燃料與空氣的混合物以釋放化學(xué)能的有效方法。通過(guò)用輸出功除 熱輸入而計(jì)算出的爆震燃燒的理論效率大約是49%。作為比較，諸如恒定體積燃燒或恒壓 燃燒的更傳統(tǒng)工藝分別具有47%和27%的理論效率。爆震燃燒的效率提高歸因于它獨(dú)特 的熱釋放過(guò)程，其中燃料-空氣混合物的燃燒發(fā)生的比常規(guī)燃燒快數(shù)萬(wàn)倍，這依賴于傳播 的火焰峰（flame front)。雖然更有效率，爆震燃燒也可以是更加難以控制的。例如，困難 在啟動(dòng)和維持爆震燃燒時(shí)出現(xiàn)。然而，在發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)中的最新進(jìn)展允許克服這些困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 所提供的是爆震發(fā)動(dòng)機(jī)和方法。爆震發(fā)動(dòng)機(jī)可產(chǎn)生穩(wěn)定的爆震駐波。由穩(wěn)定的爆 震波產(chǎn)生的加熱燃燒產(chǎn)物的流動(dòng)可以被轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。例如，所述爆震發(fā)動(dòng)機(jī)可具有爆震 波在其中被穩(wěn)定的燃燒腔室。該腔室可部分地被例如渦輪葉片圍繞，所述渦輪葉片可提供 障礙物以限制爆震波的自由膨脹，從而有助于形成穩(wěn)定的駐波。
[0007] 在一個(gè)方面，爆震發(fā)動(dòng)機(jī)可包括具有流體地連接到第一儲(chǔ)箱的第一端部和流體地 連接到爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的第二端部的第一入口、具有流體地連接到第二儲(chǔ)箱的第一端部和與第 一入口相對(duì)地流體連接到爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的第二端部的第二入口。所述第一和第二入口可與共 同軸線對(duì)齊。該爆震發(fā)動(dòng)機(jī)還可包括連接到所述第一入口的第一噴嘴、連接到所述第二入 口的第二噴嘴，以及布置在所述第一入口的第二端部與所述第二入口的第二端部之間分離 器。第一入口、第二入口和分離器可以沿共同軸線定位。
[0008] 在一些實(shí)施例中，爆震發(fā)動(dòng)機(jī)可包括構(gòu)造為在所述爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中穩(wěn)定爆震的障礙 物。爆震發(fā)動(dòng)機(jī)可包括可旋轉(zhuǎn)地附接到所述爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)或多個(gè)渦輪。渦輪還可以包 括構(gòu)造為在所述爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中穩(wěn)定爆震的葉片。所述第一儲(chǔ)箱可被構(gòu)造為接收氧化劑。所 述第二儲(chǔ)箱可被構(gòu)造為接收燃料。第一噴嘴可以靠近第一入口的第二端部。第二噴嘴可以 靠近第二入口的第二端部。第一噴嘴可布置在第一入口內(nèi)。第二噴嘴可布置在第二入口內(nèi)。
[0009] 在另一方面，一種用于引爆燃料與氧化劑的混合物的方法可以包括通過(guò)第一入口 引入氧化劑到爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)第二入口引入燃料到爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，其中第一和第二入口可 與共同軸線對(duì)準(zhǔn)，然后在距共同軸線一定距離處的圓柱爆震區(qū)域內(nèi)引爆燃料與氧化劑的混 合物。一種方法可以包括加速氧化劑通過(guò)第一噴嘴，并加速燃料通過(guò)第二噴嘴。一種方法 可以包括靠著分離器的第一側(cè)并且從共同軸線徑向向外地引導(dǎo)所述氧化劑，以及靠著分離 器的第二側(cè)并且從共同軸線徑向向外地引導(dǎo)所述燃料，所述第二側(cè)與第一側(cè)相對(duì)。
[0010] 在一些實(shí)施例中，第一入口具有流體地連接到第一儲(chǔ)箱的第一端部和流體地連接 到爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的第二端部。第二入口具有流體地連接到第二儲(chǔ)箱的第一端部和流體連接到 爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的第二端部。所述第一和第二入口可與共同軸線對(duì)齊。加速氧化劑通過(guò)第一噴 嘴可以產(chǎn)生超音速流，并且加速燃料通過(guò)第二噴嘴可產(chǎn)生超音速流。一種方法可以包括膨 脹由引爆混合物產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物通過(guò)禍輪以做功（produce work)。一種方法可包括提供障 礙物以抑制由引爆混合物產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物的膨脹。一種方法可以包括在爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中穩(wěn)定 混合物的爆震。障礙物可以構(gòu)造在爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中以實(shí)現(xiàn)爆震的穩(wěn)定化。障礙物可以是渦輪 葉片，其可以，例如，將燃燒產(chǎn)物的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
[0011] 其他方面、實(shí)施例和特征將從下面的描述、附圖和權(quán)利要求書中顯而易見(jiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1是爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的橫截面視圖。
[0013] 圖2是示出示例性圓柱形爆震區(qū)域的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的橫截面視圖。
[0014] 圖3是在爆震中以壓力表示的模擬駐波。
[0015] 圖4是在爆震中以溫度表示的模擬駐波。
[0016] 圖5描繪了在徑向膨脹流中的駐定爆震（standing detonation)的幾何形狀。
[0017] 圖6描繪了絕熱膨脹和爆震沖擊波的位置-速度曲線。
[0018] 圖7a)至i)描繪了作為以馬赫數(shù)給出的入流的函數(shù)的爆震半徑。
[0019] 圖8描述了示例性穩(wěn)定爆震剖面（detonation profiles)。
[0020] 圖9描繪了作為初始流的函數(shù)的示例性爆震半徑。
[0021]圖10描述了作為E和Q的函數(shù)的最小爆震半徑。
[0022] 圖11描繪了以方波狀穩(wěn)定解開(kāi)始的爆震崩潰（collapse)。
[0023] 圖12描繪了以方波狀穩(wěn)定解開(kāi)始的爆震膨脹。
[0024] 圖13描繪了膨脹爆震的穩(wěn)定化。
[0025] 圖14描繪了在障礙物的存在時(shí)的爆震波啟動(dòng)（initiation of a detonation wave)〇
[0026] 圖15描繪了反應(yīng)區(qū)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 在實(shí)驗(yàn)性發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)爆震駐波可以是挑戰(zhàn)性的，但使用計(jì)算模型可以顯著地提 高成功的可能性。例如，通過(guò)迭代方法，計(jì)算模型可以使研宄者能夠無(wú)需建造一系列原型而 確定有效幾何形狀和邊界條件。該計(jì)算模型應(yīng)當(dāng)考慮守恒定律、化學(xué)反應(yīng)機(jī)制以及穩(wěn)定性 考慮。爆震波可以被建模為跟隨著反應(yīng)區(qū)的沖擊波。為了簡(jiǎn)化計(jì)算并減少計(jì)算時(shí)間，爆震 波可以被建模為氣體分子量沒(méi)有變化的理想流體。能量增加可以被假定為發(fā)生在單步化學(xué) 反應(yīng)中。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算，熱傳導(dǎo)和粘度的作用可以被忽略。所得系統(tǒng)的二維反應(yīng)歐 拉方程能夠例如在并行計(jì)算機(jī)集群上有效地解決，以便測(cè)試爆震駐波的穩(wěn)定存在性。
[0028] 在爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中，反應(yīng)混合物的超音速流可以離開(kāi)德拉瓦爾噴嘴（de Laval nozzle)，并能形成，例如，馬赫盤。在馬赫盤中的氣體壓縮可以啟動(dòng)下游化學(xué)反應(yīng)，使得反 應(yīng)區(qū)形成在離所述盤一定距離處。這種流構(gòu)造的一個(gè)早期實(shí)驗(yàn)研宄被在[10]中報(bào)道，其 中，作者能夠?qū)崿F(xiàn)駐定沖擊-反應(yīng)-區(qū)域復(fù)合體。即使這種構(gòu)造類似于爆震，它也許更適合 被稱為沖擊誘導(dǎo)的燃燒，而不是爆震，因?yàn)轳R赫盤能夠在這樣的流中穩(wěn)定地存在，而與化學(xué) 反應(yīng)的存在無(wú)關(guān)。盡我們所知，反應(yīng)區(qū)在馬赫盤的存在和性質(zhì)中起作用的程度似乎沒(méi)有被 很詳細(xì)地探索。
[0029] 在推動(dòng)燃料和氧化劑通過(guò)例如會(huì)聚_擴(kuò)散噴嘴進(jìn)入測(cè)試通道的高壓供應(yīng)罐的幫 助下，燃料_空氣混合物的超音速流可以產(chǎn)生。對(duì)與所述流一起傳播或逆所述流傳播的爆 震進(jìn)行了研宄，并對(duì)通道內(nèi)的流邊界層在爆震速度上的影響進(jìn)行了研宄。在[21]中，通過(guò) 改變通道幾何形狀的穩(wěn)定化使用氫氣-空氣的多步動(dòng)力學(xué)模型而數(shù)值地考慮。他們的結(jié)論 是，通道橫截面的變化可以用來(lái)穩(wěn)定在通道中的爆震波。
[0030] 爆震也可以被鈍體在超音速流中穩(wěn)定。在這樣的構(gòu)造中，爆震可以被穩(wěn)定在反應(yīng) 氣體的超音速流中的楔形體上?；瘜W(xué)反應(yīng)可以在楔形體前端下游的一定距離處開(kāi)始，并可 以影響附著到楔形體的沖擊波的結(jié)構(gòu)。類似于在德拉瓦爾噴嘴中的馬赫盤下游的反應(yīng)的情 況，在這種構(gòu)造中的沖擊波即使沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)也可以存在，所述化學(xué)反應(yīng)即沖擊誘導(dǎo)的燃 燒。
[0031] 通過(guò)在軸向上固定其位置，但允許它在方位角方向上旋轉(zhuǎn)，爆震可以被穩(wěn)定在超 音速流中。這樣的構(gòu)造可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震。超音速空氣流可以進(jìn)入兩個(gè)同軸圓柱之間 的薄縫隙并與燃料混合。燃料可以從例如內(nèi)圓柱注入。該混合物可以在旋轉(zhuǎn)爆震波中連續(xù) 地燃燒，所述旋轉(zhuǎn)爆震波在圓周方向上傳播。這種構(gòu)造可以在爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中使用，例如，作 為脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的替代。
[0032] 如下面進(jìn)一步討論的，對(duì)根據(jù)單步阿蘭尼烏斯（Arrhenius)反應(yīng)模型的理想氣體 反應(yīng)使用可壓縮歐拉方程，可以