旋转爆轰发动机里的纵向脉冲爆轰波和旋转爆轰波
第五届爆震与新型推进编号：35
学术会议论文
旋转爆轰发动机里的纵向脉冲爆轰波和旋转爆轰波
王宇辉1，*，王超2，乐嘉陵2，黄思源 2
1.西南科技大学燃烧空气动力学研究中心，四川绵阳621010；
2. 中国空气动力研究与
发展中心吸气式高超声速技术研究中心，四川绵阳621000 摘要：在旋转爆轰发动机里，非正规的纵向脉冲爆轰波比较常见。本文对旋转爆轰波和纵向脉冲爆轰波开展进一步实验研究。燃烧室爆轰环腔外径100 mm，宽10 mm，长117 mm。空气通过60个直径2 mm 圆柱孔轴向、氢气通过2 mm宽环缝径向流入环腔。结果表明，瞬态的纵向脉冲爆轰波可以转为稳定的旋转爆轰波，纵向脉冲爆轰波一个循环里存在爆轰熄火现象。
关键词：纵向脉冲爆轰波旋转爆轰波高速摄影氢气
1.前言
旋转爆轰发动机（Rotating Detonation Engine, CDE），又名连续爆轰发动机（Continuous Detonation Engine, RDE）或连续旋转爆轰发动机（Continuously Rotating Detonation Engine, CRDE）也是一种基于爆轰燃烧的发动机，由于流量连续，结构紧凑，理论热效率和比冲较高，近年来成为很多公司和科研机构的研究热点。该发动机里，旋转爆轰波（Rotating Detonation Wave, RDW）数量可能超过一个。
Aerojet Rocketdyn公司[1-2]自从2010年起，进行了650次多种喷嘴、多种喷管、多种推进物（氢气，甲烷，乙烷，JP-8, JP-10）以及有无等离子体增强的RDE测试，当量比范围0.4-1.2，直径21 cm。评估表明在相同的流动条件下，爆轰波行为依赖于发动机构造，使用等离子体增强系统可以增大爆轰波速度，减少对强化空气的需求。RDE代替常规燃气轮机后，同样释热条件下燃油消耗减少14%，每年每台在服役涡轮发动机可减少500万美元燃油消耗。在美国能源部第二阶段RDE项目资助下，Aerojet Rocketdyne投入7,570,127美元发展吸气式涡轮旋转爆轰发动机，旨在达到65%的联合循环效率；项目时间为2014年10月到2019年3月，燃料为天然气[3]。美国空军研究实验室和创新科学方案公司使用空军研究实验室的爆轰发动机研究设施的推力台架实验研究了具有不同结构喷管的旋转爆轰发动机（图1，直径6英寸），目的为测量推力和比冲等推进性能[4]。他们特别比较了不同的内部喷管结构，包括钝体、塞式喷管、堵塞塞式喷管等构造。他们采用毛细管平均压力技术进行的轴向静压测量表明在环腔里存在混合区域、爆轰循环区域和稳定排气区域；通过质量流量函数测试了喷管拥塞所要求的滞止状态条件。实验数据表明，喷管拥塞或部分拥塞需要在燃烧室内产生滞止压力增加量。增压效应是当量比函数，最大滞止压力增加量可达到3-7%,具体取决于发动机流量。出口拥塞的滞止情况可以反映比推力，并可以与测量的推力比较；结果发现计算出的比推力明显大于测量值，这是由穿过尾气的激波造成总压损失引起的。对发动机爆轰现象之后的激波/膨胀波环境的理解将有助于减小总压损失，提高推进性能。他们还改变燃烧室环腔宽度，对旋转爆轰发动机进行了推力测试，研究了尺度参数对性能的影响[5]。这些参数包括空气喷射面积膨胀比、爆轰腔的质量流密度和喷管喉部的收缩面积。该工作研究的焦点在于确认流动变量之间的关系，该关系可以帮助确认几何结构对试验中的比冲和比推力的影响。该RDE中心柱直径为138.6 mm，外壳长度为114.3 mm，爆轰环腔宽度分别为7.62 mm (0.3 inch)，16.25 mm (0.64 inch)，22.86 mm (0.9 inch)；气动塞式喷管与燃烧室集成，起到了散热作用。燃料使用氢气和乙烯，流量范围为0.61-1.82 kg/s，当量比范围为0.6-1.35；气体质量流量通过上游歧管的声速喷嘴测量。研究发现，通过改变发动机结构，
国家自然科学基金资助项目（NSFC11602207和91641103）
燃料效率可以和有效总压交换；改变喷管收缩面积可以比较明显地看出此效应。他们对乙烯/空气推进剂和氢气/空气推进剂的性能进行了对比，发现所得结果和脉冲爆轰发动机的实验数据和理论预测符合的很好。乙烯/空气推进剂的性能达到了期望结果，鼓舞人心，尽管依然存在很多技术挑战，比如重型碳氢燃料的应用。随着流量增加，比冲和比推力增加，这是因为流量增加了燃烧室内爆轰波前反应物的压力以及爆轰燃烧增加了背压。在轻度富燃料区域，比推力达到最大值，这和爆轰增压的最大值所处的混合物状况是一致的。日本名古屋大学等单位将在2018年开展基于旋转爆轰发动机的探空火箭飞行实验，推力500 N，比冲300 s[6]。
图1 各种实验中的喷管结构示意图[4]
北京大学在旋转爆轰发动机方面开展了大量的实验和数值模拟研究。他们[7-9]发现在空心燃烧室里爆轰波也能连续旋转下去，且推进性能不会因为无内柱而损失，这有利于简化发动机结构；高的燃料喷射面积比会增加波数，而拉瓦尔喷管可以显著提高空心RDE推进性能。他们还研究了环形和空心燃烧室的粒子轨迹和热力学性能[10-11]，解释了燃烧室头部的激波反射现象[12]。国防科技大学开展了煤油两相旋转爆轰发动机研究，氧气或富氧空气作氧化剂，结果表明在当量比为0.805-0.908的富氧工况下，随着氧化剂中氧气含量的增加，爆轰波速度逐渐加快，最高可达2440 m/s；旋转爆轰波在纯氧条件下具有较强不稳定性[13]。南京理工大学实验研究了当量比对汽油/富氧空气混合物旋转爆轰发动机的影响，该发动机上旋转爆轰波始终为同向传播模态，存在单波头、双波头和多波头同时存在的混合传播模态,并测量了双波对撞模态下的推力[14-15]。南京理工大学还设计了离心压气机或涡轮导向叶片和旋转爆轰燃烧室的组合结构，研究了氢气旋转爆轰有关性质[16-17]。在乐嘉陵院士支持下，西南科技大学燃烧空气动力学研究中心和中国空气动力研究与发展中心进行了旋转爆轰发动机的合作研究。他们采用不同湍流模型数值模拟了直角梯形截面的燃烧室，发现反应物容易侵入爆轰波的弱波面部分，但这个反应物间断很快会被爆轰波的增强所吞没；同时发现爆轰波可以绕过直角、钝角和锐角，由此推断任意凸多边形截面的RDE燃烧室是可行的[18]。实验发现[19]，当量比大于2时，燃烧发生在燃烧室以外，为爆燃；当量比接近于1时，燃烧室内存在多个反向旋转爆轰波，爆轰波平均速度较低，不超过1000 m/s；当量比小于0.58时，仅有一个爆轰波准稳态旋转。在当量比为1时，进行了17秒无热防护的旋转爆轰发动机实验，未发现燃烧室有明显烧蚀。此外，他们还研究了旋转爆轰波的不稳定性、爆轰与爆燃的共存机制、激波对旋转爆轰波的影响、入口障碍物对旋转爆轰波的影响、热边界对旋转爆轰波的影响等内容[20-24]，并对国内外旋转爆轰发动机研究进展做了综述[25]。总体看来，
国内旋转爆轰发动机处于基础研究阶段，美国已达到技术开发阶段，技术水平差距较大。
旋转爆轰发动机正常燃烧方式为旋转爆轰波，但一些情况下出现了纵向脉冲爆轰波（Longitudinal pulsed detonation, LPD）[26-27]。辛辛那提大学通过实验研究，推断喷管喉部是形成纵向脉冲爆轰波的必要条件，而本文中发现在没有喉部的条件下，也可以产生纵向脉冲爆轰波。本文通过实验研究，进一步研究纵向脉冲爆轰波现象以及其与旋转爆轰波的联系。
2.实验设备和方法
实验设备和系统示意图如图2所示。实验系统主要由推进剂供给系统、数据采集系统、控制系统、点火系统和燃烧室等部分组成。推进剂供给系统包括六瓶氢气、一瓶氧气和一个大型压缩空气罐。氢气瓶供给最大总压为12 MPa，空气罐最大供给总压为10.5 MPa，主流反应物为氢气和空气，直接进入燃烧室，被旋转爆轰波燃烧；预爆轰管内的支流反应物为近化学计量比的氢气和氧气，主要用来点火，点火完毕后，立即切断支流。
采集系统主要由硬件和软件两部分构成。其中硬件包括PCI同步采集板卡、PCI采集卡和高可靠性工业计算机及传感器等。系统软件中可对所有通道的采样频率、采样深度、数据存储目录等设置，系统软件还可对存储的历史数据载入进行波形显示、分析。测量仪器包括有4个低频压力传感器和3个高频压力传感器PCB113B24，一台高速摄像机，一台普通速度摄像机，流量通过收敛扩张喷嘴拥塞状态计算。高频压力传感器P1和P2处于同一轴向位置，夹角180度；P1和P3位于同一方位角，轴向距离20 mm，P3在上游，P1在下游。P1、P2、P3采集到的压力曲线分别以p1、p2、p3表示。控制系统通过继电器CT817C446k 控制电磁阀动作，动作时间小于6微秒。点火系统由预爆轰管和高能火花塞等组成，火花塞点火频率为28 Hz，预爆轰管内径10 mm、长度为200 mm；火花塞与预爆轰管螺纹连接，预爆轰管切向焊接在燃烧室上，预爆轰管轴线到燃烧室出口距离为50 mm。火花塞点火端面和氢氧入射孔轴线重合，确保点火可靠性，燃烧室由中心柱、壳体和端盖等组成，材料为45钢，经发蓝处理，减慢生锈速率。中心柱和壳体之间为爆轰环腔，燃料氧化剂掺混、旋转爆轰、排气等过程均发生在该环腔。壳体和端盖之间为氢气流道。爆轰环腔外径为100 mm，内径为80 mm，轴向长度为117 mm。空气通过端盖上60个直径2 mm圆柱孔轴向、氢气通过2 mm宽环缝径向流入环腔；两股气流为正交掺混。
在实验中，各流路动作时序为：0时刻开通主流和支流，50 ms时刻点火且在100 ms时结束点火，160 ms时刻切断支流，t时刻（0.7-20 s）切断主流氢气，(t+2) s时刻切断空气。空气最后切断，可以保证残余产物被吹扫干净，并对燃烧室和传感器起到冷却作用。由于实验时间较短，通常小于20秒，未设计冷却系统。为了保护压力传感器免遭高温破坏，当安装有PCB压力传感器实验时，旋转爆轰时间被控制在0.7 s左右；而进行十几秒较长时间实验时，燃烧室内不进行接触式测量。
图2实验设备及示意图，压力触感器P1和P3同方位角，轴向距离20 mm，P1在下游，P1和P2同轴向位置，夹角180度3.实验结果和讨论
3.1基于氢气-空气的工况
旋转爆轰波会使方位角不同的压力传感器采集到的压力曲线呈现对应的时差；对于夹角180度的压力传感器P1和P2，压力曲线时差应该为半个周期左右。纵向脉冲爆轰波沿燃烧室轴向运动，由于P1和P2同轴向位置，压力曲线p1和p2基本无时差。从表1可看出，在空气549 g/s 、当量比0.70-0.93时，燃烧室里发生了纵向脉冲爆轰（LPD）。当量比为0.62时，燃烧室里的燃烧极不稳定，在纵向脉冲爆轰和旋转爆轰之间不断变化。这说明，当量比较低时，由于燃料稳压室出口未达到拥塞状态，爆轰环腔里的爆轰波和燃料稳压室产生了声学耦合，造成燃料流量极不稳定，进而导致燃烧方式不断变化。图3爆轰压力曲线p1和p2在时间上基本重合，说明该压力波为纵向脉冲爆轰波。图3a-b压力曲线平均周期分别为0.536和0.529 ms，对应频率为1866和1890 Hz，基本在图3d频域峰值范围内；变化的周期表明纵向爆轰波在不稳定传播。图4表明，在空气549 g/s，当量比0.62条件下，发生了纵向脉冲爆轰和旋转爆轰交叉进行的现象。图4b中压力曲线p1和p2峰值交替出现，且时差大约为半个周期，表明旋转爆轰波在进行。图4c前半段为旋转爆轰波，后半段为纵向脉冲爆轰波，压力曲线p1和p2在时间上基本重合。旋转爆轰波传播周期距离为一个圆周长，而纵向脉冲爆轰波循环对应传播距离约等于2个爆轰环腔长度，故这两种爆轰波具有不同的周期。图4d的傅里叶变换有两个峰值频率，分别为1961和2594 Hz，分别对应纵向脉冲爆轰波和旋转爆轰波。根据爆轰环腔外径计算得到的旋转爆轰波速度为815 m/s。由于混合不理想且当量比只有0.62，使得爆轰波速度仅为815 m/s，远小于CJ值1738 m/s。另外从图3压力曲线可以看出，该压力波一直在维持，且为增压，所以只能是爆轰波，而非激波。
如图5-6所示，在空气677 g/s，当量比0.61时，发生了比较稳定的旋转爆轰波；从燃烧室尾部观察，爆轰波逆时针运动，方向未受预爆轰管控制。沿逆时针方向，白色弧形区域末端基本代表旋转爆轰波位置。时域分析旋转爆轰波周期为0.260 ms，对应周期为3846 Hz，恰好在图6d爆轰波频带内。图5爆轰波旋转周期对应5帧时间，即0.250 ms；由于高速摄影时空精度较差，可以认为高速摄影周期基本符合压力曲线周期。图6c表明平齐装配的压力传感器P2在高温下失效，无法继续采集旋转爆轰波压力信号；而压力传感器P1依然正常工作，因为P1采用凹坑装配，有效避免了严重零漂，延长了传感器工作时间。图6a、b、d表明点火后，燃烧室内先形成了纵向脉冲爆轰波，随后再产生稳定的旋转爆轰波。
如图7-8所示，在空气677 g/s，当量比0.62时，发生了纵向脉冲爆轰波和旋转爆轰波的交替现象。图8a可以看到旋转爆轰波比纵向脉冲爆轰波周期短，压力高，这是因为旋转爆轰波发展较为充分，纵向脉冲爆轰波发展不充分，且纵向脉冲爆轰一个循环里包含有爆轰波的发展和熄灭过程。图8b两个频段的特征频率2364、3240 Hz分别对应了纵向脉冲爆轰波和旋转爆轰波。图7每组连续的黑色照片（看不到任何亮光）为5-6帧，说明循环具有较稳定的周期，且可以看到该周期对应9帧照片左右，即0.450 ms，大致符合压力曲线的纵向脉冲爆轰波周期。纯黑色照片和带亮色照片交替出现，说明燃烧室内在试验期间没有熄火。当黑色照片出现时，只有缓燃，即爆轰波熄灭状态，燃烧室内气体温度较低；缓燃温度明显低于爆轰波温度。当带亮色照片出现时，燃烧已经从缓燃转为爆轰波。图7照片白色弧线的连续变化表明了纵向脉冲爆轰波是从横截面上某一点开始起爆，发散到四周；而不是从整个断面上起爆。在燃烧室内，高温产物在下游，低温反应物在上游，因此爆轰波必然是从下游起爆，通过缓燃转爆轰过程发展起来，往上游传播，这个推断与文献[27]截然相反（该文献认为纵向脉冲爆轰波从上游往下游传播）。由于连续的白色弧线变化照片仅有2-4帧，没有达到一个旋转爆轰波周期，可以认为图7照片里不存在旋转爆轰波。表1表明，同样当量比下，高空气流量有利于旋转爆轰波的产生，而低空气流量下基本只能产生纵向脉冲爆轰波。空气流量较高，有利于保证空气喷嘴的拥塞状态，即爆轰波所导致的压力波不易反馈给稳压室，避免了稳压室和爆轰环腔的声学耦合，可以提高空气流动的稳定性。空气流动不稳定，可能导致旋转爆轰波瞬间氧化剂不足而熄火，退化为缓燃，被吹向下游。在下游由于混合状况变好，空气流动趋于稳定，由于缓燃转爆轰过程，旋转爆轰波重新建立起来。由于旋转爆轰波与空气稳压室的相互作用，当空气流量又发生变化时，旋转爆轰波重新退化。这样，旋转爆轰波和纵向脉冲爆轰波就交替产生了。另外从表1可知，同样当量比下，当空气流量较高时，旋转爆轰波速度较高，比低流量下可高出200 m/s左右。可见，保证空气流动稳定性，有利于产生旋转爆轰波；且较稳定的旋转爆轰波才可能具有较高的传播速度。最后，从表1可看出，旋转爆轰波更容易在低当量比下出现。高当量比时，燃料喷射会给空气喷嘴出口形成较高反压，易导致空气喷嘴无法拥塞和空气流动不稳定，从而产生纵向脉冲爆轰波。
本研究基于缝-孔式燃料和氧化剂喷嘴，对于双环缝喷嘴，也可能产生纵向脉冲爆轰波。空气喷嘴过宽，导致空气流量不稳和上下游的声学耦合，是产生纵向脉冲爆轰波的必要条件。传统观点认为，液体火箭发动机里存在的的高频纵向不稳定性主要由声波或激波造成。纵向脉冲爆轰波可以为解释液体火箭发动机里存在的高频纵向不稳定性提供一种新的观点。
表1旋转爆轰发动机的一些工况
Air, g/s H2,g/s Equivalence ratio Combustion Frequency, Hz RDW speed, m/s
549 14.8 0.93 LPD 1947 NA
549 13.3 0.84 LPD 1970 NA
549 11.2 0.70 LPD 1981 NA
549 9.8 0.62 LPD, RDW 1961, 2594 814
549 8.8 0.55 Deflagration NA NA
677 11.9 0.61 RDW 3846 1208
677 12.1 0.62 LPD, RDW 2364, 3240 1017
a)局部视图
d)傅里叶变换
当量比0.93，图a-b 标记了LPD 周期
P r e s s u r e , M P a Time, s P r e s s u r e , M P a
P r e s s u r e , M P a
Frequency, Hz A m p l i t u d e P r e s s u r e , M P a
c)局部视图 d)傅里叶变换
图4高频压力曲线和傅里叶变换，空气549 g/s,当量比0.62
图5连续帧的高速摄影照片（顺序为左上至右下），20000 fps ，第一帧0.504835 s ，爆轰波逆时针旋转, 空气677 g/s ，当量比0.61
a) 初始的LPD b)稳定阶段的RDW
P r e s s u r e , M P a Time, s 020004000600080000.000
0.002
0.004
0.0060.008
Frequency, Hz A m p l i t u d e 1961 Hz, LPD
2594 Hz, RDW
P r e s s u r e , M P a Time, s Time, s
c) 高温零漂下失效的压力曲线p2 d) 短时间傅里叶变换
图6旋转爆轰波的压力曲线及对应的频域分析，空气677 g/s ，当量比0.61
-0.1
0.0
0.1
0.2P r e s s u r e , M P a Time, s p1
p2
RDW lap time, 0.260 ms
图7连续帧的高速摄影照片（顺序为左上至右下），纵向脉冲爆轰波，20000 fps ，第一帧0.545585 s ，空气677 g/s ，当量比0.62
a) LPD 和RDW 的交替 b) 傅里叶变换
图8爆轰波的压力曲线及其傅里叶变换，空气677 g/s ，当量比0.62
3.2基于室温乙烯-空气的工况
基于乙烯-空气的旋转爆轰发动机燃烧室与基于氢气-空气的燃烧室结构不同，空气采用1毫米环缝径向喷射，乙烯采用0.8毫米孔轴向喷射。图9为旋转爆轰波压力曲线及其短时傅里叶变换，旋转爆轰波平均周期为196微秒，对应频率5102 Hz ，在图9c 频带内。旋转爆轰波速度为1602 m/s ，为CJ 速度的93%。传感器P1与P2夹角90度，爆轰波这两点间传播时间50微秒，基本为1/4周期，表明位置差与时差基本一致，且爆轰波从P1往P2旋转；即对着燃烧式尾部，爆轰波顺时针旋转。图10为高速摄影拍摄到的连续帧旋转爆轰波照片，每帧间隔0.025 ms 可以看出爆轰波在顺时针旋转，周期略小于200微秒，与压力曲线分析结果基本一致。图9(a)看起来旋转爆轰波仅维持了0.2 s 左右，比发动机运行时间0.6 s 短很多，这是因为爆轰产物高温导致压力传感器无法继续采集有效信号，但实际上旋转爆轰波仍在继续。图10高速摄影照片表明旋转爆轰波在0.676秒时刻仍然在维持，说明了这一点。
P r e s s u r e , M P a Time, s Frequency, Hz A m p l i t u d e
(a) Global view (b) Close-up view
(c) Short time fourier transform
图9 旋转爆轰波的压力曲线和p1的短时傅里叶变换，空气 465 g/s 、燃料 21.7 g/s
图10连续帧的顺时针旋转爆轰波照片，40000 fps, 第一帧676.150 ms ，Air 465 g/s, Fuel 21.7 g/s
4. 结论
(1) 对于当前旋转爆轰发动机燃烧室，有3种燃烧方式：旋转爆轰，纵向脉冲爆轰，交
替进行的旋转爆轰和纵向脉冲爆轰。同样工况下，燃烧方式可能为旋转爆轰，也可
能为交替进行的旋转爆轰和纵向脉冲爆轰，即具有随机性。高的空气流动稳定性有
利于产生旋转爆轰波。当空气稳压室与爆轰环腔声学耦合时，纵向脉冲爆轰波发生
概率较高。纵向脉冲爆轰波往上游传播，与文献[27]结论（向下游传播）相反。
(2) 旋转爆轰波比纵向脉冲爆轰波周期短，压力高，因为旋转爆轰波发展充分；而纵向
P r e s s u r e , M P a Time, s p1
p2RDW, Lap Time 0.196 ms
0.050 ms
脉冲爆轰波由于传播距离短（最长为爆轰环腔长度），发展不充分，较弱。纵向脉冲爆轰波一个循环里存在爆轰熄火现象
(3)旋转爆轰发动机点火后，可能先形成纵向脉冲爆轰波，然后形成稳定的旋转爆轰波，
说明纵向脉冲爆轰波有利于燃料混合物混合，进而导致旋转爆轰波的形成。
(4)国际上首次实现基于室温乙烯-空气的非预混旋转爆轰发动机燃烧技术，为碳氢燃料
在吸气式旋转爆轰发动机的应用奠定了基础，本质上扩展了基于碳氢燃料的吸气式旋转爆轰发动机的工况范围。
致谢
本工作由国家自然科学基金NO.11602207和NO. 91641103支持。感谢中国空气动力研究与发展中心晏至辉和杨样博士及张旭、周金明、刘瓶超等人对实验研究的支持。
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a rotating detonation combustor, Exp. Therm. Fluid. Sci.77 (2016) 212-225.
(完整版)发动机原理知识点
1.发动机的定义。 燃料在机器内部燃烧而将化学能转化为热能，再通过气体膨胀做功将其转化为机械能输出的机械设备。 2.发动机发展历经的三个阶段。 ①20世纪70年代之前（提高生产力） 目标：追求良好的动力性能。 措施：提高压缩比，提高转速。 指标：最高车速、加速性能、最大爬坡能力。三个指标均取决于发动机及其它动力装置。 ②20世纪70~80年代（石油危机） 目标：追求良好的经济性能。 措施：降低油耗、增大升功率、减轻比重量。 指标：百公里油耗。 ③20世纪80年代后期（环境污染） 目标：追求良好的环保性能。主要解决排放与噪声问题。 3.常规汽车能源和新型替代能源有哪些，各有何特点? ①汽油机：汽油和空气混合经压缩由火花塞点燃。 ②柴油机：柴油和空气混合经压缩自行着火燃烧。 ③天然气发动机LNG ④液化石油气发动机LPG ⑤酒精发动机 ⑥双燃料、多燃料发动机 4.热力系统基本概念; 在热力学中，将所要研究的对象从周围物体中隔离出来，构成一个热力系统。 系统以外的一切物质，称为外界，热力系统和外界的分界面，称为界面。5.热力学第一定律的实质; 当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变，只是能量的形式发生了变化—能量守衡。吸收的能量-散失的能量=储存能量的变化量 6.理想气体的四个基本热力过程; ①定容过程：热力过程进行中系统的容积（比容）保持不变的过程。 ②定压过程：热力过程进行中系统的压力保持不变。 ③定温过程：热力过程进行中系统的温度保持不变 ④绝热过程：热力过程进行中系统与外界没有热量的传递 7.四行程发动机的实际工作循环过程； 进气过程、压缩过程、燃烧过程、膨胀过程、排气过程 8.发动机实际循环向理论循环的简化条件； ①忽略进、排气过程（r-a,b-r), 排气放热简化为定容放热过程； ②压缩、膨胀过程（复杂的多变过程）简化为绝热过程； ③把燃料燃烧加热燃气的过程简化成工质从高温热源的吸热过程，分为定容 加热过程（c～z’）和定压加热过程（z’～z）； ④假定工质为定比热的理想气体。
发动机爆震现象详解
09款有爆震的可以看一下。很好的文章，很直白。 网址： 春节的爆竹声此起彼伏，给人以欢乐的气氛。然而在发动机中放爆竹的话，显然不是那么让人满意。提到爆震，也许所有人见到这两个字都会心生厌恶之情。本篇会尽可能的解读在汽油发动机上，爆震产生的原理、导致爆震的因素、对发动机的危害、和解决的方法。 在解读之前，我们先来了解一下，汽油发动机中，燃料是怎样的燃烧过程。 汽油与空气的混合气进入气缸之后，活塞会将其压缩，气缸内温度和压力升高后，混合气密度和分子分子运动速度也随之提高，混合气会更容易、更快的燃烧，从而获得更好的动力性和经济性。气缸在下止点时的最大体积与气缸在上止点时最小体积之比，即为压缩比，通常情况下，相同排量的发动机，压缩比越高，其动力性和经济性越好（涡轮增压发动机的压缩比偏低，特性我们会在以后着重介绍）。 在压缩之后，混合气在气缸内点燃，正常情况下，其火焰是由点火中心开始，以一个球面为前锋，带着高温高压气体向四周扩散，最终冲向活塞，并使之向下做功，火焰传播速度为30-80m/s，所以从点火到油气完全燃烧，要经过点火期（火花塞跳火）、滞燃期（火核形成并以锋面开始传播）、速燃期（大部分混合气燃烧，速燃期结束时缸内压力最大）、和后燃期（残余混合气燃烧，对汽油机来说意义不大）这几个阶段。而就是因为点火期和滞燃期，混合气没有很好的燃烧，才让发动机有了一个数值：点火提前角。 骑过自行车的朋友都知道，在脚蹬通过最高点之后过一点点，我们再向下踩，这样骑车最有劲儿，而对于活塞和曲轴来说也是如此，通常认为在上止点后曲轴10°左右的相位时（工况不同，其数值也会有所变化），缸内出现最大压力值并推动活塞向下做工，此时性能最佳。但我们刚才讲到，混合气燃烧需要一个过程，如果在上止点时才点燃混合气就来不及了，所以我们要抢先点火，让点火期和滞燃期尽早开始，使速燃期结束之时，曲轴在10°相位附近，这就是所谓的点火提前角。点火提前角在合理范围值内，越提前，越能压榨出发动机的动力。假设混合气燃烧至速燃期结束，时间为0.001秒，那么在发动机转速为3000转时，曲轴在旋转18°的时间内，燃烧可达压力最大值。这时的点火提前角就应为8°。而随着转速的提升，点火提前角也随之提升。 配气相位图，请注意点火时刻出现在上止点之前 图片内其他信息为配气方面的知识，如欲了解请点击李毅同学的另一篇文章：
发动机爆震的分析及解决方法
15 汽车维修 2010.8 汽车诊所 AUTOMOBILE MAINTENANCE 图1因爆震损坏的零件 发动机爆震的本质是终燃混合气的自燃。 局部终燃混合气自燃造成局部的温度、压力急剧上升，瞬间在气缸内产生显著的压力不平衡，由此形成冲击性压力波以极高的速度向周围传播，使相邻混合气受到冲击触发，相继自燃。于是终燃混合气迅速燃烧完毕，因而气缸压力急剧上升，产生爆震。 一、发动机爆震产生的原因 1.点火提前角过大过大的点火提前角使活塞还在压缩行程时，大部分混合气已经燃烧，此时未燃烧的油气会承受极大的压力自燃，而造成爆震。 2.发动机积碳严重发动机燃烧室内过度积碳，会使压缩比增大（产生高压），易产生爆震。 3.发动机温度过高发动机过热的环境使得进气温度过高，或是发动机冷却水循环不良，都会造成发动机高温而爆震。 4.空燃比不正确过稀的空燃比，会使燃烧温度提高，燃烧温度提高会造成发动机温度上升，容易产生爆震。 5.燃油辛烷值过低辛烷值是燃油抗爆震的指标，辛烷值越高，抗爆震性越强。压缩比高的发动机，燃烧室的压力较高，若是使用抗爆震性低的燃油，则容易发生爆震。 二、爆震的危害 1.会引起发动机过热正常情况下，在燃烧室壁、活塞顶及气缸壁等壁面上形成一种气体附面层（一种稳定的气体层流边界层），其导热性较差，因此虽然燃烧气体温度可达2000℃~2500℃，而燃烧室及气缸壁等表面的温度只有200℃~300℃。但是当爆震燃烧时，由于强烈的压力波冲击，使气体附面层受到破坏，高温 气体向这些零件的传热量大大增加，造成发动机过热，传给冷却系的热损失增加，润滑油温度升高，运动件的润滑变坏，导致机件加速磨损。 2.高温下燃烧产物分解强烈爆震时燃烧室内局部温度很高，可达4000℃以上。在这种情况下，燃烧产物将分解为CO 、H 2、O 2、NO 及游离炭等。游离炭在气缸内很难再燃烧，因而爆震燃烧时排出黑烟。CO 、H 2等在膨胀中重新燃烧而使发动机的补燃量增大，同时由于爆震时的散热损失增加，发动机的热效率下降。 3.爆震容易引起早燃在一定条件下，强烈的爆震燃烧还能在燃烧室内产生许多炽热点。这些炽热点可能在电火花点火之前点燃可燃混合气引起所谓的早燃现象。 发生早燃现象时，混合气激烈燃烧，使气缸内的压力升高率和最高燃烧压力急剧增大。有试验验证，此时压力升高率为正常燃烧的5倍， 最高燃烧压力为正常燃烧的150％，气缸的压力又触发爆震加剧，爆震又反过来助长早燃，这两种现象互相促进，其结果是造成很大的压力升高率，发出尖锐的高频震音，导致危害性最大的激爆现象的产生。 4.爆震促使形成积碳爆震时的不正常燃烧及高温会促使积碳的形成量增加。积碳会导致如下后果：冬季冷起动困难，甚至造成发动机不起 动；加速无力；热车怠速抖动；机油消耗量增大等等现象。 过多积碳还会加剧爆震产生的可能并引起活塞、活塞环、火化塞和气门等零件的损坏或不能正常工作，见图1。 三、防止爆震产生的具体措施 就一台在用车发动机而言，在该发动机的结构以及各项控制参数等因素已既定的情况下，防止爆震产生的具体措施主要有如下几点： 1.要定期清除排气门、燃烧室和活塞顶部的积碳，消灭可能的终燃炽热点。大修时缸盖端面变形应立即换新的。将端面加工刨平往往会增加压缩比。 2.使用符合发动机压缩比的汽油。汽油中的辛烷成分能抑制爆震，加了辛烷值低的汽油必然引起爆震。 3.保持冷却系统工作正常，水温过高或经常“开锅”一定要排除障碍，否则容易引起爆震。 4.保证合适的点火提前角。配气相位和点火提前角应按车型生产厂家所提供技术数据调整，并且要保证发动机电控系统爆震传感器处于良好工作状态。如果爆震传感器失效或没有及时将发动机爆震信号反馈给电脑，发动机点火时间就会提前，从而导致爆震产生。 5.发动机在低转速而需要大负荷时（爬坡或加速），应及时换入低挡，切勿“拖挡”从而引发爆震。 发动机爆震的分析及解决方法 □江苏/刘 阳
吸气式连续旋转爆震波自持传播机制研究
目录 摘要 (i) Abstract (iii) 第一章引言 (1) 1.1 研究背景及意义 (1) 1.2 连续旋转爆震研究进展 (3) 1.2.1 各国研究进展简述 (3) 1.2.2 连续旋转爆震波的起爆 (10) 1.2.3 连续旋转爆震波的传播模态 (12) 1.2.4 连续旋转爆震波传播过程的稳定性 (16) 1.2.5 连续旋转爆震与推进剂喷注相互作用 (18) 1.2.6 连续旋转爆震波的自持传播机制 (19) 1.2.7 连续旋转爆震的推进应用 (20) 1.3 研究现状分析 (25) 1.4 本文研究内容 (26) 第二章试验系统与数值模拟方法 (28) 2.1 吸气式连续旋转爆震直连式试验系统 (28) 2.1.1 方案设计 (28) 2.1.2 直连式试验台 (29) 2.1.3 空气加热器 (29) 2.1.4 连续旋转爆震燃烧室 (30) 2.1.5 起爆系统 (30) 2.1.6 测量与控制系统 (32) 2.2 化学非平衡流数值模拟方法 (37) 2.2.1 控制方程及解耦方法 (37) 2.2.2 化学动力学模型及处理方法 (39) 2.2.3 数值离散格式 (40) 2.2.4 边界条件处理 (40) 2.2.5 流场计算并行处理方法 (40) 2.3 二维轴对称流场计算方法 (42) 2.4 小结 (43) 第三章吸气式连续旋转爆震传播特性与流场结构 (44)
3.1 吸气式连续旋转爆震可行性试验验证 (44) 3.1.1 时序与工况 (44) 3.1.2 试验过程介绍 (45) 3.1.3 连续旋转爆震传播特性分析 (46) 3.1.4 隔离段流动状态分析 (48) 3.1.5 长程试验 (49) 3.2 同向模式 (50) 3.2.1 同向单波模态 (50) 3.2.2 同向双波模态 (56) 3.3 对撞模式 (60) 3.3.1 双波对撞模态 (61) 3.3.2 多波对撞模态 (64) 3.4 轴向模式 (66) 3.4.1 传播特性 (66) 3.4.2 高速摄影结果 (68) 3.4.3 自持机制分析 (70) 3.5 小结 (73) 第四章连续旋转爆震波与燃烧室入口来流相互作用 (75) 4.1 吸气式连续旋转爆震与来流相互作用流场特征 (75) 4.1.1 超声速入流模态 (76) 4.1.2 亚声速入流模态 (80) 4.1.3 进气道受影响模态 (83) 4.1.4 非稳定工况下的连续旋转爆震/来流相互作用 (85) 4.1.5 燃料喷注与来流相互作用 (88) 4.2 连续旋转爆震压力前传过程分析 (90) 4.2.1 隔离段/爆震燃烧室高频压力特征分析 (91) 4.2.2 隔离段波系前传特征 (92) 4.3 连续旋转爆震/来流相互作用影响因素研究 (94) 4.3.1 燃烧室直径(宽度) (95) 4.3.2 来流总温 (96) 4.3.3 当量比 (97) 4.4 连续旋转爆震/来流相互作用影响边界理论分析 (97) 4.4.1 数值计算结果 (99) 4.4.2 爆震波影响边界位置分析 (102)
《汽车发动机构造与维修第2版》课后习题答案-36页文档资料
第一章复习思考题参考答案 1、什么是发动机？什么是内燃机？发动机是如何分类的？ 答：发动机（英文：Engine），又称为引擎，是一种能够将一种形式的能转化为另一种更有用的能的机器。 它将燃料燃烧的热能转变为机械能的机器叫内燃机，故又称为热力机。目前汽车所采用的发动机绝大多数是各种型式的往复活塞式内燃机。 内燃机按其所用燃料、燃烧方式及结构特征不同可分为：汽油、柴油及多燃料发动机；点燃式与压燃式发动机；化油器式与喷射式发动机；单缸与多缸发动机；水冷式与风冷式发动机；四冲程与二冲程发动机；双气门与多气门发动机；顶置式气门与侧置式气门发动机；单排直列与V形排列式发动机。 2、发动机一般有哪些机构和系统组成？并简要说明各组成部分的作用？ 答：以桑塔纳AJR型汽油发动机为例：汽油发动机由两大机构和五大系统组成。 （1）曲柄连杆机构。是发动机借以产生动力，并将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力的机构。 （2）配气机构。其作用是将足量的新鲜气体充入气缸并及时地从气缸排除废气。 （3）燃料供给系统。根据发动机各种不同工作情况的要求，配制出一定数量和浓度的可燃混合气，送入气缸燃烧，作功后将废气排入大气。 （4）润滑系系统，其作用是减小摩擦，降低机件磨损，并部分冷却摩擦零件，清洗摩擦表面。 （5）冷却系。冷却系的作用是将多余的热量散发到大气中，使发动机始终处于正常的工作温度。 （6）点火系。点火系的作用是在压缩冲程接近结束时所产生高压电火花，按发动机的作功顺序点燃混合气。 （7）起动系。其作用是在任何温度下都能使静止的发动机起动并转入自行运转。 3、何为四冲程和二冲程发动机？简要说明其工作循环？ 答：发动机的一个工作循环如果是在曲轴旋转两周（720°），活塞在气缸内上、下运动共四个活塞行程内完成的，则称为四冲程发动机。发动机的一个工作循环若在曲轴旋转一周（360°），活塞在气缸内上、下运动共二个活塞行程内完成的，则称为二冲程发动机。 4、列表对比说明柴油机汽油机在进气压缩做功排气四个冲程中的主要差异？。 答：
脉冲爆震发动机现状及发展趋势
喷气推进是伊萨克·牛顿(Isaac Newton)爵士的第三运动定律的实际应用。该定律表述为：“作用在一物体上的每一个力都有一方向相反大小相等的反作用力。”就飞机推进而言，“物体” 是通过发动机时受到加速的空气。产生这一加速度所需的力有一大小相等方向相反的反作用力作用在产生这一加速度的装置上。喷气发动机用类似于发动机/螺旋桨组合的方式产生推力。二者均靠将大量气体向后推来推进飞机，一种是以比较低速的大量空气滑流的形式，而另一种是以极高速的燃气喷气流形式。 这一同样的反作用原理出现于所有运动形式之中，通常有许多应用方式。喷气反作用最早的著名例子是公元前120年作为一种玩具生产的赫罗的发动机。这种玩具表明从喷嘴中喷出的水蒸气的能量能够把大小相等方向相反的反作用力传给喷嘴本身，从而引起发动机旋转。类似的旋转式花园喷灌器是这一原理更为实用的一个例子。这种喷灌器借助于作用于喷水嘴的反作用力旋转。现代灭火设备的高压喷头是“喷流反作用”的一个例子。由于水喷流的反作用力，一个消防员经常握不住或控制不了水管。也许，这一原理的最简单的表演是狂欢节的气球，当它放出空气或气体时，它便沿着与喷气相反的方向急速飞走。 喷气反作用是一种内部现象。它不像人们想象的那样是由于喷气流作用在大气上的压力所造成的。实际上，喷气推进发动机，无论火箭发动机、冲压喷气发动机、或者涡轮喷气发动机，都是设计成加速空气流或者燃气流并将其高速排出的一种装置。当然，这样做有不同的方式。但是，在所有例子中，作用在发动机上的最终的反作用力即推力是与发动机排出的气流的质量以及气流的速度成比例的。换言之，给大量空气附加一个小速度或者给少量空气一个大速度能提供同样的推力。实用中，人们喜欢前者，因为降低喷气速度能得到更高的推进效率。 脉动喷气发动机是喷气发动机的一种，也称脉冲喷气发动机，可用于靶机，导弹或航空模型上。脉动喷气发动机发明于法国但没有找到用途，纳粹德国在第二次世界大战的后期，曾用它来推动V-1导弹，轰炸过伦敦。这种发动机的结构如图所示，它的前部装有单向活门，之后是含有燃油喷嘴和火花塞的燃烧室，最后是特殊设计的长长的尾喷管。现在，用于喷气式（汽车）赛车的发动机。 脉动喷气发动机工作时，首先把压缩空气打入单向活门，或使发动机在空中运动，这时便有气流进入燃烧室，然后油嘴喷油，火花塞点火燃烧。这时长尾喷管在燃气喷出后，由于燃气流的惯性作用，虽然燃烧室内的压强同外面大气的压强相等，仍会继续向外喷，所以在燃烧室内造成空气稀薄的现象，使压强显著降
爆轰发动机
脉冲爆轰发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)是基于脉冲式爆轰的非定常新概念推进系统,具有结构简单、热循环效率高、工作范围广的特点,在 降低生产成本和燃料消耗量方面具有很大的潜力.国内外对脉冲爆轰发动机进行了大量的研究[1~3],包括爆轰机理研究、发动机实验研究以及数值仿真计算等,研究多以气态燃料为主,但单位容积能量密度更大的液态燃料显然更符合实际需求,是爆轰推进应用研究的重点.相比较而言,气液两相爆轰的研究更加复杂,液态燃料的喷射雾化以及爆轰管内燃烧转爆轰过程非常困难,研究文献相对较少.美国海军研究生院[4,5]采用预爆轰方式,研究了以乙烯、丙烷以及JP-10为燃料的无阀式PDE的工作过程与性能,主爆轰管工作频率可达30 Hz.PAN-ZENHAGEN等人[6]以液态庚烷为燃料,研究了爆轰波分支点火技术对脉冲爆轰发动机工作过程的影响.在燃料加热至450 K的情况下,采用爆轰波分支点火技术可以将点火时间和DDT时间减少85%.TUCKER等人[7]设计了液态碳氢燃料快速加热气化系统,研究液态燃料庚烷和异辛烷在PDE点火以及DDT性能上的区别,指出燃料种类和喷射时温度对于点火时间的影响不大,而异辛烷形成爆轰更加困难,且爆轰波速度低于理论C-J波速。 从距离左端面0． 1 m 开始，在液滴碰壁后，两种进气方式下的汽油液滴的Ｒ32都迅速减小，但是因为径向进气直接冲击了油雾和PDE 管壁，造成了能量损失，增加了流动阻力，降低了流速，轴向进气下汽油液滴开始雾化得比径向进气快，直到距离左端面0．27 m 处，轴向进气汽油液滴的Ｒ32开始小于径向进气的Ｒ32。从距离左端面0．52m 处开始，由于气液两相间的相对速度变小，两种进气方式下汽油液滴的Ｒ32也缓慢变小，在管出口处，横截面上汽油液滴的Ｒ32分别为20． 1 μm.。 目前,人类在生产和生活中所使用的能源,约70%是通过燃烧过程获得.燃烧过程在可燃介质中的传播,一般存在着两种模式:一种称为爆燃波,另一种称为爆轰波.爆燃波是借助于热传导、扩散和热辐射等机制在介质中向前传播,这种波的传播速度较低,典型的速度为每秒数米至每秒数十米.爆轰波是借助激波压缩起燃的机制在介质中传播,其传播速度为每秒数千米.估算表明[1],在通过燃烧进行化学能-热能-机械能转换的过程中,采用爆轰方式,能源转换效率约为50%,而采用爆燃方式只能得到约30%的能源转换效率.这是因为爆轰过程接近于等容压缩加绝热膨胀的过程,爆燃过程是近似的等压过程.然而,不论是在飞机、火箭、汽车、轮船等运载工具的发动机内,或是在燃煤、燃油、燃气等发电设备的燃烧室内,进行的都是爆燃过程.之所以如此,是因为爆轰过程速度过于剧烈,能源释放率过高,难以驾驭.。
发动机震动原因及解决办法
随着汽车深入人们的日常生活，越来越多的用车问题也暴露出来。 发动机爆震就是一个最近比较常见的问题，很多对此不太了解的朋友听了这个词，感到很困惑。 甚至因此而放弃了某些自己喜爱的车型，如一位朋友很喜欢福克斯，却问它是否如网上盛传的那样容易发生爆震。 其实发动机爆震并不复杂，只要明确了爆震的原因就能够对症下药解决问题，下面就同汽车探索一同来寻找这一“罪魁祸首”。 何谓爆震 汽油发动机，当混合气空气与燃油充分的混合在进气行程进入燃烧室后，活塞在压缩行程时便将其压缩，火花塞将高压混合气点燃后，其燃烧所产生的压力则转换成发动机运转的动力。 发动机燃烧虽可以用三言两语简单的形容，但光是内燃机的燃烧研究，不知已造就了多少博、硕士论文，甚至许多学者、工程师穷其一生都在研究燃烧的学问，所以要真正了解发动机，是要花很多工夫的。 正是因为发动机的燃烧十分复杂，所以需要有相当精确的设计与控制，稍有一点控制失误或是失常，便会造成不正常燃烧，而“爆震”就是一种不正常燃烧。 简单的说，爆震是不正常燃烧所导致的燃烧室内压力失常。 爆震的原因 在说到爆震原因前，我们先要了解两件事。 第一，混合气在燃烧室内燃烧，其火焰是由点火点以“波”的方式向四周扩散，所以从点火到油气完全燃烧需要一段短暂的时间。 第二，油气虽然需要靠火花塞点燃，但是过于高温、高压的环境也会使油气自燃。 一般的爆震是因为燃烧室内油气点火后，火焰尚未完全扩散，远程未燃的油气即因为高温或高压而自燃，其火焰与正规燃烧的火焰撞击而产生极大压力，使得发动机产生不正常的敲击。 造成爆震最主要有以下几点原因： 一、点火角过于提前： 为了使活塞在压缩上止点结束后，一进入动力冲程能立即获得动力，通常都会在活塞达到上止点前提前点火因为从点火到完全燃烧需要一段时间。 而过于提早的点火会使得活塞还在压缩行程时，大部分油气已经燃烧
3-爆轰波的流体力学理论2
3.8 聚能效应 3.8.1 聚能效应的基本现象 20世纪50年代以来，各国学者都在探求爆炸产物的有效利用问题。与前面介绍的爆炸作用不同，聚能效应是通过利用特殊形状的装药来达到提高其局部爆炸破坏作用的目的。 随着测试手段的科学化和现代化，瞬时高压作功的物理过程能够得以揭示，炸药爆炸的聚能效应也就逐渐得到了广泛的应用。目前，聚能装药在战时被广泛应用于各种穿甲、破甲雷弹及战时破坏作业（如大型桥梁、建筑物的破坏）；在平时用于快速切割金属（如打捞沉船等）、在硬土或冻土中快速穿孔、破碎孤石（悬石和危石）、在抢险救灾中快速清除障碍物（陆上或水中障碍物，如楼房、桥梁、树木等）、利用线性聚能装药拆除大型钢结构建筑物、桥梁以及切割贵重石材等。 根据爆轰产物沿其外法线方向散射这一基本规律，在装药底部或一侧予留空穴（如锥形、半球形、线形、抛物形、双曲线形等），或再加药型罩并取适当炸高（从聚能药包的底面（即药型罩底面）到穿孔目的物间的距离），爆炸时，由于空穴的存在，从而产生冲击、高压、碰撞、高密度、高速运动的气体流或金属流（带金属罩时），就可使爆炸能量沿轴线方向向外射出较高能量密度的聚能流，并集中到一定方向上发挥作用。这种利用装药一端（侧）的空穴使爆轰产物聚集、增加能量密度、以提高局部破坏作用的现象称为聚能现象，其效应称为聚能效应或空心效应，又称诺尔曼效应。能形成聚能流的装药称为聚能装药，其装置为聚能装置。 聚能效应是外部装药爆炸直接作用的一种特殊情况（非接触爆破），其作用在于使爆炸能在一定的方向集中起来，从而使爆炸的局部破坏效应增强。其主要特点是：装药底部（或一侧）有空穴；装药底面（或一侧）与目标间有一最有利距离；破甲能力很强。有空穴是其基本特点，也是形成聚能效应的基本条件。 聚能装药爆炸后，具有高温、高压的爆轰产物沿装药表面法线方向迅速散射时，在空穴影响下，必然在空穴前方汇集于一点（线性装药汇集成一线），此点（线）处的爆轰产物密度可增大数倍，速度可达每秒万米以上，温度可达数千摄氏度，压力可达几十兆帕。若空穴外壳采用金属药型罩，则会形成密度更大、压力更高的射流。在这种高温高压高速射流作用下，目标可视作流体，对目标具有很大的穿透能力，达到穿孔或切割的目的。 不同的装药形式具有不同的破坏效果。对于普通无空穴的园柱体装药，爆炸后爆轰产物近似沿装药表面法线方向散射，其速度一般为每秒数千、压力数量级一般为1×104MPa；当装药一端制成锥形空穴起爆后，爆轰产物质点以一定速度沿近似垂直于锥形空穴表面的方向向药柱轴线汇聚，使能量集中，此处聚能流速度高达每秒万米以上，密度比普通装药大4~5倍，高压的爆轰产物在沿轴线汇聚时，形成更高的压力区，比普通装药高10余倍，这种高压迫使爆轰产物向周围低压区膨胀，使能量分散。 由于上述两个因素的综合作用，气流不能无限地集中，而在离药柱端面某一距离处达到最大的集中，以后又迅速飞散开了。也就是气流在聚能过程中，动能（约占总能量的1/4）是能够集中的，而位能（约占3/4）不但不能集中，反而起飞散作用。如果设法把能量尽可能转化成动能形式，就能进一步提高能量的集中程度。提高的方法是在空穴内表面嵌装一个形状相同的药型罩。这种装药形式的爆轰产物在推动罩壁向轴线运动过程中，将能量传递给金属罩。由于金属罩的可压缩性很小，因此内能增加很少，能量的极大部分表现为动能形式，这样就可避免由于高压膨胀引起的能量分散而使能量更加集中，形成一束速度和动能比气体射流更高的金属射流。研究表明，由于金属流速度高，直径小，金属呈热塑状态，密度远比
冲击波与爆轰波 精品
第四章冲击波与爆轰波 爆轰(detonation)是炸药化学变化的基本形式，是决定炸药应用的重要依据。爆轰反应传播速度非常大，可达每秒数千米，反应区压力高达几十吉帕（几十万个大气压），温度也在几千K以上，爆轰的速度、压力、温度等决定着炸药的做功能力和效率。研究炸药的爆轰现象和行为，认识炸药的爆炸变化规律对合理使用炸药和指导炸药的研制、设计等有重要的理论和实际意义。在爆轰现象发现之前人们就建立了冲击波理论，后来在冲击波理论的基础上建立了描述爆轰现象的经典爆轰波理论，这个理论至今仍然是十分有用无法被替代。炸药在爆炸过程中经常会产生一些波，如爆炸在炸药中传播时形成爆轰波。爆轰产物向周围空气中膨胀时形成冲击波，爆轰波和冲击波过后，介质在恢复到原来状态的过程中会产生一系列膨胀波等，因而在研究炸药爆轰以及爆轰后对外界的作用时，始终离不开波。爆轰的传播可以看成波动过程，具有波动的性质，简要介绍波的基础知识并回顾爆轰理论的发展过程和阶段对学习和掌握炸药的爆轰原理是有必要的。 4.1 爆轰理论的形成与发展 （1）爆轰现象的发现：1881年、1882年，Berthlot，Vielle，Mallard和Le. Charelier 在做火焰传播实验时首先发现的。他们的研究揭示，可燃气火焰在管道中传播时，由于温度、压力、点火条件等不同，火焰可以以两种完全不同的传播速度传播，一种传播速度是每秒几十—几百米，一种是每秒数千米，习惯上把前者称为爆燃，后者称为爆轰，可见爆轰也是一种燃烧—是一种迅速而激烈燃烧。 （2）1899年，1905～1917年，Chapman和Jouguet分别独自地对爆轰现象作了简单的一维理论描述（即C-J理论），这一理论是借助气体动力学原理而阐释的。他们提出一个简单而又令人信服的假定，认为爆轰过程的化学反应在一个无限薄的间断面上瞬间完成，原始炸药瞬间转化为爆轰反应产物。不考虑化学反应的细节，化学反应的作用如同外加一个能源而反映到流体力学的能量方程中，这样就诞生了以流体动力学和热力学为基础的、描述爆轰现象的较为严格的理论—爆轰波的C-J理论。 爆轰波的C-J理论并没有考虑到化学反应的细节，认为化学反应速度无限大，反应瞬间完成，这和实际情况是不相符合的，但是对化学反应的细节进行研究和描述十分困难，这个问题也是爆轰波的结构问题，一直爆轰学的一个重要研究领域。 （3）1940年，前苏联的Zeldovich，1942年，美国人V on.Neumann和1943年德国人Doering各自独立对C-J理论的假设和论证作了改进，提出了爆轰波的ZND 模型。ZND理模型要比C-J理论更接近实际情况。他们认为爆轰时未反应的炸药首先经历了一个冲击波预压缩过程，形成高温高密度的压缩态，接着开始化学反应，经历一定时间后化学反应结束，达到反应的终态。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C-J理论的重要发展。 上述两种理论被称为爆轰波的经典理论。——都是一维理论。 （4）上世纪50年代，通过实验的详细观察，发现爆轰波波阵面包含复杂的三维结构，这种结构被解释为入射波，反射波和马赫波构成的三波结构。 （5）上世纪50～60年代，进行了大量的试验研究，实验结果显示：反应区末端状态参数落在弱解附近，而不是C-J参数，说明实际爆轰比C-J理论和ZND模型更为复杂，同时开展了计算机数值模拟。 （6）上世纪50年代，Kirwood和Wood，推广了一维定常反应理论，指出定常
爆震现象
1 发动机爆震 1.1 爆震产生原理及特征 爆震是发动机运行时一种不正常燃烧的现象。发动机正常燃烧时，火花塞接到ECU 的点火信号后,对可燃混合气进行点火，火焰从火焰核心（离火花塞近的可燃混合气）以30～40m/s 的速度，向四周的未燃烧的混合气区传播，使燃烧室内混合气循序燃烧，直至结束。汽油机发生爆震时，在汽油机燃烧室内火焰传播过程中，远离火花塞的未燃混合气（末端混合气），被已燃混合气的膨胀所压缩，此处的局部温度由于热辐射作用而超过燃料的自燃温度，从而产生自发反应，形成一个或多个火焰核心，这时末端混合气在正常火焰传播到以前先行发火燃烧。这种自行发火燃烧会发出极强的火光，燃烧温度常在4 000 ℃以上，火焰传播速度达200 ～1 000 m/s 以上，比正常燃烧的火焰传播速度高数倍甚至数十倍。当正常燃烧和爆震两个方向相反的燃烧压力波相遇时，会产生剧烈的气体震动，并发出特有的金属撞击声，所以称为“爆震”。 轻微的爆震无法被人的感官所察觉，在此我们称它为‘无感爆震’，因此当你能感觉得到引擎爆震所产生的噪音和震动时，这时的爆震情况已经严重得超乎你的想象，我们称它为“有感爆震”。生有感爆震时，发动机有哒哒的金属敲击发动机缸体的声音，而且发动机各部件温度急剧上升，油耗增大，发动机和车身能感到震动。 至今人们对爆震的具体的产生机理还没能彻底掌握。目前大家普遍接受的有两种理论，即自燃(auto ignition)理论和爆燃(detonation)理论。下面具体阐述： 自燃理论最早在1919年由H．R．Richardo提出，这种理论认为爆震是因为气缸中远离火花塞的一部分混合气自发燃烧引起的，这部分混合气又称末端混合气。当末端混合气的温度和压力超过自燃点时，这部分混合气将自发燃烧，从而产生强烈的压力波，高频压力波向外传播而导致气缸壁尖锐的敲击声。这种理论也是目前已被广为接受。 另一种理论为爆燃理论。对预混合气的燃烧，火焰在传播过程中受到周围条件的限制，突然产生高压和高速传播的现象，火焰前峰从火花塞到气缸壁加速传播，即正常的火焰前峰由于冲击波的高压提供的能量，从亚音速转变为超音速传播，燃烧反应异常猛烈，并产生强烈的冲击波，冲击波在气缸壁之间来回反射。碰撞压力虽然持续时间短但是幅值大，从而产生尖锐的敲击声。这种理论1963年由S．Curry提出的。 爆震是指点火燃烧中本应逐渐燃烧的部分可燃混合汽突然自燃的现象。点火预提前角过大时，活塞还在压缩混合汽的过程中，混合汽已全部燃烧。压力急剧增大作用于迎面而来的活塞上，阻止活塞继续向上运动，特别是刚点燃的混合汽受到上行活塞的剧烈压缩后，使未燃烧的那部分混合汽温度升高，便会突然形成全部爆炸式的燃烧，学名称其为爆震或爆燃。爆震使发动机汽缸内发出尖锐的金属敲击声，这种钝击声音如果持续较长时间，会使发动机功率降低，燃料消耗增大，发动机过热和排气冒烟，严重时造成发动机损伤。汽油机燃烧的特点是燃烧室内有明显的火焰前锋在传播。燃烧产物的膨胀使火焰前锋急速地向前推移，致使未然混合汽受到强烈的压缩和热辐射，使距离火焰核心较远处的混合汽温度急剧地升高甚至超过燃料的自燃温度，造成这部分混合汽的着火延迟时间极大地缩短。这就促使火焰前锋到达以前，远端的混合汽已经自燃着火了，在燃烧室内形成新的火焰核心(发火点在2个以上)，这样的燃烧与正常情况完全不同。正常燃
浅谈发动机的爆震 张业武
浅谈发动机的爆震张业武 发表时间：2018-04-02T15:44:23.470Z 来源：《基层建设》2017年第36期作者：张业武 [导读] 摘要：进有很大发展，这对提高发动机的动力性，降低油耗促进经济效益的提高，无疑是可喜的。 江苏省骆运水利工程管理处江苏宿迁 223800 摘要：进有很大发展，这对提高发动机的动力性，降低油耗促进经济效益的提高，无疑是可喜的。但在运输业不断更新的新车型使用中，发动机的爆震以及早燃乃至“激爆”现象比较突出，严重影响发动机的使用寿命。 关键词：激爆；发动机使用寿命；年来，我国车用汽油发动机在强化工况方面 汽油机气缸内的混合气在压缩终了时，由电火花点燃以后，形成火焰中心，火焰以30—70m/s的正常速度向前传播。当气缸内末端混合气（正常火焰传播最远点的最后燃烧那部分混合气）进一步受已燃混合气的压力压缩和热辐射作用，在正常火焰未到达前就迅速进行化学反应并放出热量，形成一个或数个火焰中心，产生新的火焰传播，以100～300m/s(轻微爆震)直至800～1200m/s或以上（强烈爆震）的速度传播火焰，而迅速燃烧。这种极高速的燃烧所产生的压力升高率很大，使缸内压力来不及平衡，形成很强的压力波，以很高的频率不断冲击着缸内的机件，而发出尖锐的敲击声。爆震时化学反应的放热速度大于气缸的散热速度，使爆震处的温度很高（可达3700摄氏度以上），发动机即处在大的冲击载荷和过热的工况下运转。 轻微爆震对发动机没有什么大危害。在大负荷工况下，短时的轻微爆震可促进发挥发动机的动力性。但是，强烈的爆震危害是很大的，它所产生的强烈的压力波对活塞、缸壁的往复冲击，使缸壁表面附面和油膜遭到破坏，燃烧气体对缸壁等机件的传热增加，冷却水温度过高，润滑油很容易被氧化变质。另外也使活塞等机件的热应力和机械应力剧增，工作状况进一步恶化，加之极强的冲击载荷，可使活塞顶、气门和火花塞电极烧蚀，活塞环胶固在活塞环槽里而卡死以致环槽岸崩裂和活塞环折断。由于爆震时发动机过热，很容易引起另一种不正常燃烧——早燃。早燃除了增加发动机的负功外，重要的使发动机的工作温度、压力升高很快，反过来又促进爆震，使缸内的温度、压力升高的更快，冲击载荷更大。这样两种不正常的燃烧相互促成，这就是危害更大的“激爆”现象。发动机发生“激爆”，可使排气管、气缸筒间的壁梁和缸盖断裂，连杆弯曲、扭曲，活塞断裂和轴瓦烧毁等现象。 设由电火花点燃混合气并形成火焰中心，传播到末端混合气的时间为t1；电火花点燃到末端混合气自行燃烧的时间为t2。则当t1>t2时，就发生爆燃；当t1＜t2时，就能正常燃烧。根据实验证明，t2对混合气燃烧的影响是主要的。 （一）点火初始角θ：点火过早使气缸内的压力升高过早，发动机的负功增加；此外，气缸内的最高压力Pz也上升，使末端混合气燃烧前受到很大的挤压，温度急剧上升，而使t2减小，爆燃倾向增大。在实际使用和维修中，使点火初始角——增大的原因是多方面的。主要有； 1.传统习惯的影响：长期以来，在运输业中广泛推行，增大点火提前角的经验（还有白金间隙大、火花塞电极间隙大的经验）。这对压缩比不大，且燃烧室不紧凑，散热面积较大，不易产生爆燃的发动机的动力性提高起到了一定的作用；但对压缩比较大的发动机是有害无益的。如东风EQ6100发动机，据原厂试验表明，最佳点火初始角θ为6度（曲轴转角位12度），若点火初始角大于标准0.5度以上时，发动机产生明显爆震，发动机的动力性、经济性开始下降。 2.进气管真空度的影响：进气管真空度不正常地增大，会使点火提前角加大，易发生爆燃。引起进气管真空度不正常增大的原因有：空气滤清器滤芯未按规定里程清洁或更换，使之堵塞严重；其次，在维修保养时，没有清洗检查曲轴箱通风管单向阀（如EQ6100）,单向阀被污物堵塞或单向阀被油污粘住而失效，在节气门全开时，进气管的真空度仍然较大。 3.点火正时的影响；由于曲轴、凸轮轴的止推垫片磨损过甚，两轴的轴向间隙增大，加之分电器传动齿轮和凸轮轴的驱动齿轮间的啮合间隙过大，会导致点火提前角增大。另外曲轴、凸轮轴和分电器之间的修理误差（一般在0°30′～2°30′）也会导致点火提前角增大。换用离心重块弹簧过软的分电器，在发动机工作中将使点火提前角增大的幅度超过规定的范围，而引起爆燃。 （二）转速与负荷：转速低时，进气管真空度减小，进气流惯性弱，缸内所形成的紊流强度也削弱，使混合气燃烧缓慢，t1增大，而末端混合气燃前化学反应较充分，相对t2就减小，爆燃倾向增大。在转速一定的条件下，随着节气门开度的加大直至全开时，混合气量增多，废气量相对减小，稀释作用小，亦使t2相对减小爆燃倾向增大。由此可见，低转速大负荷时，最易发生爆燃。 在实际运行中，为片面追求经济效益，不少人认为车辆超载可充分利用发动机的动力性，于是“多拉快跑”，使发动机经常在大负荷工况下工作，尤其是起步、加速和上坡时节气门更是全开到底。殊不知，这样除汽车底盘、车架等机件易于疲劳损坏，缩短车辆使用寿命外，发动机因超负荷运行，转速急剧下降，很容易引起爆震，而导致机械事故的发生。 （三）压缩比：压缩比增大，使气缸内的燃前混合气的温度、压力升高过快过大，爆燃倾向增大。压缩比增大的原因常发生在维修中，如修理曲轴时，将连杆轴颈中心线位移，使曲柄长度增大，导致压缩比增大；其次，使用经过磨削的缸盖或过薄的汽缸垫；另外，随着燃烧室沉积物的增多，压缩比也随之增大。 （四）发动机过热：发动机温度过高，会使进气温度升高，末端混合气燃前化学反应快，使t2相对减小，爆燃易发生。引起发动机过热的原因很过。例如，冷却系的故障，使发动机散热不良；长时间的大负荷低速行驶；环境温度高（尤其是炎热的夏天）加之分电器白金间隙和火花塞电极间的积炭存在，会导致早燃现象出现，使发动机温度过高。 （五）燃油、润滑油：汽油机的燃油抗爆性能指标是按燃油中所含异辛烷气（抗爆性最好）多少，及辛烷值来衡量的。所以在压缩比较高的发动机中不能使用低于相适应的临界辛烷值的燃油，否则发动机的爆震是不可避免的。当然，由于燃油的产生的质量问题(如辛烷值是否符合规定、添加剂的成分等)以及储存过久的燃油，引起辛烷值的变化，都会降低燃油的抗爆性。 一般汽油机的润滑油，因清洁分散性差，在高压缩比的发动机上使用，易氧化变质，……&使燃烧室形成高温沉淀物多（尤其是积炭），活塞表面易出现胶膜，活塞环被粘住而失去作用，气缸内机件的润滑、冷却作用大减，为爆燃创造有利的条件。 （六）结构材料：除了在使用方面的爆震因素外，在设计、制造方面也有着重要的影响。例如：燃烧室的形状、气缸直径、火花塞位置、压缩比的确定等决定着进气紊流强度、火焰传播距离、燃烧时的压力升高率、最高压力和最高温度等。另外，活塞、气缸盖等机件的材料以及冷却系的布置等决定着散热性能。 诊断爆震要与气门脚响相区别。这两种敲击声是很相似的。但响声的部位不同，爆震敲击声在发动机的上部，而气门脚敲击声在发动机顶部。另外发生的时机不同，爆震敲击声发生在发动机过热及汽车急速起步、加速和上坡时；而气门脚间隙过大敲击声与这些工况无
脉冲爆震发动机综述
脉冲爆震发动机综述 引言 脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine简称PDE)是利用脉冲爆震波产生的高温高压燃气来产生推力的一种新概念发动机，是一种非定常推进系统。它具有结构简单，热效率高等诸多优点。燃料以剧烈的爆震方式燃烧，爆震波以超音速传播，可以产生极高的温度和压力。必须指出：PDE的概念与众所周知的脉动发动机，如二战时使用的德国V-1“嗡嗡炸弹”不同，脉动发动机是非定常发动机，但它使用了缓燃模式。脉冲爆震发动机有着广泛的应用前景，在航空方面，其高比冲的特点可以用于载人飞机的动力装置，实现高速洲际航行。在航天方面，其高比冲和体积小的特点可以用于单级入轨航天飞机的初始段推进装置。其低成本的特点可以用于军事上的靶机、引诱飞机、假目标和靶弹的动力装置以及高速导弹突防辅助动力。近年来也有人研究其在民用领域的应用，如用来发电等，一旦技术成熟，必将对航空航天产生革命性的影响。在最近的十年内，脉冲爆震发动机日益得到各国的广泛关注，国内最早开始此方面研究的是西北工业大学。尽管脉冲爆震发动机具有诸多优点和很大的发展潜力，也进行了不少研究，然而由于诸多技术难题，尚未得到正式生产。 1 工作循环过程及潜在优点 1．1工作循环过程 脉冲爆震发动机的循环过程可以分为以下几个阶段： ①燃料\氧化剂填充爆震室。 ②点火起爆。 ③爆震波向敞口端传播。 ④爆震波到达出口，膨胀波反射进来，爆震产物从爆震室排出。 ⑤恢复初始状态。 以上几个过程循环进行，当爆震达到一定频率后就可以为飞行器提供近似连续的推进动力。
具体过程解释如下：循环从填充压力P1的反应物开始，然后关闭阀门，用位于封闭端附近的点火源直接起爆或通过缓燃向爆震转变(Deflagration to Detonation Transition，简称DDT)起爆。爆震波以2000m/s左右的爆震波速向开口断传去。在爆震波后是从封闭端发出的Taylor膨胀波扇，以满足封闭端速度为零的条件。Taylor膨胀波波尾以当地声速C3（约1000m/s）向开口端传去。在封闭端与Taylor膨胀波波尾之间是均匀区。Taylor膨胀波将爆震波C-J的压力P2降低到均匀区中相对较低的水平P3。这个压力通常称为平台压力，它仍然比环境压力P0大得多，因此在封闭端产生推力。 当爆震波传出爆震室出口时，由于该处压力远大于环境压力，因此产生一组膨胀波反向传进爆震室，进一步降低爆震室的压力，使得排气过程得以开始。膨胀波到达封闭端反射为另一组膨胀波向下游开口端传去。非定常排气过程是由在开口端和封闭端交替产生的一系列压缩波和膨胀波组成的。当爆震室的压力降低到环境压力水平时，排气过程结束。当排气过程结束时，阀门打开，让新鲜反应物填充如爆震室。阀门打开时应控制新的反应物不排出爆震室，避免浪费。这就要求下一个循环的爆震波在爆震室的某个地方，通常在出口能赶上反应物。再填充过程完成后，阀门关闭，开始下一个循环。 在更实际的循环中，是封闭端的压力减低到某一水平，而不是环境压力，填充过程开始，从而避免排气后期在封闭端产生很低的压力，造成负推力。此外，靠近封闭端的燃烧产物温度仍很高，当新鲜反应物与其接触时立即燃烧，也就是过早点火。这种过早点火很可能是发动机停止工作。因此，需要一种隔离过程，即在填充新鲜反应物前，填充少量惰性气体或冷空气以防止过早点火。
炸药的爆轰、爆速与间隙效应
炸药的爆轰、爆速与间隙效应 爆轰是炸药在瞬间发生分解应应的一种特定形式，其实质是爆轰波有炸药中的传播。爆轰波是炸药爆轰时的前阵面，是带冲击波的化学应区，爆轰波是爆轰作用的激发源。爆轰的特点是： （1）化学反应区很薄，凝聚相炸药的化学反应区厚度在0.5mm~2.5mm之间； （2）化学反应区以常速传播，该速度大于炸药中的声速。 （3）在波阵面上产生很高的温度梯度和压力梯度。 一、爆速 炸药中爆轰波传播的速度称为爆速。常用炸药的爆速在2500m\s~7000m/s之间。影响炸药爆速的因素有：
（1）药柱直径。爆速随药柱直径增大而增大，当药柱直径增大到一定值后，爆速即可接近理想爆速成药柱为理想封闭，爆轰产物不发生径向流动时即可达到理想爆速）。反之，减少药柱直径，爆速将相应降低。当药 柱直径减小到定值后，爆轰波就不再能稳定传播，最终将导致熄爆，这是因为有效能量已减少到不能再到持爆 轰波稳定传播。爆轰波能稳定传播的最小药柱直径称为临界直径，临界直径的爆速成称为临界爆速。 （2）炸药密度。对于单质炸药，爆速随密度的增大而增大；对于混合炸药，密度与爆速的关系比较复杂。在一定范围内，噌大密度能提高理想爆速；但超过这个范围继续增大密度，就会导致爆速下降，最终导致熄 爆。 （3）炸药粒度。粒度虽不会影响炸药的理想爆速，但减小粒度一般能提高炸药的反应速度，减小反应时间和反应区厚度，从而减小临界直径，提高爆速。 （4）药柱外壳。药柱外壳不会影响炸药的理想爆速。但外壳能减小炸药的临界直径，所以当药柱直径较小，爆速距理想爆速相差较大时，增强外壳可提高爆速，其效果与加大药柱直径相同。 二、间隙效应