爆震发动机的制作方法
【专利说明】
[0001] 优先权要求
[0002] 本申请要求2012年10月12日提交的美国临时申请编号61/712, 972的优先权， 其全部内容通过引用并入。
技术领域
[0003] 本发明涉及一种爆震驻波发动机（standing detonation wave engine) 〇
【背景技术】
[0004] 气相爆震波可以在各种几何结构中传播并被其影响。在圆柱形刚性管中，所述传 播在大直径管中可以是多元胞（multi-cellular)爆震的形式，在中等直径管中可以是以 旋转爆震的形式，和/或在非常小直径的管中可以是驰振爆震（galloping detonation)。 在各种宽高比的矩形横截面通道中，类似的元胞模式或驰振模式也可以达到。在平行板之 间，当板之间的间隙比所述板的横向跨度小得多时，因为在垂直于板的方向上的横波被抑 制，可以实现二维元胞爆震。其他的构造是那些在超音速流中稳定的爆震，其可以与爆震推 进和爆震发动机的问题有关。
[0005] 爆震燃烧是燃烧燃料与空气的混合物以释放化学能的有效方法。通过用输出功除 热输入而计算出的爆震燃烧的理论效率大约是49%。作为比较，诸如恒定体积燃烧或恒压 燃烧的更传统工艺分别具有47%和27%的理论效率。爆震燃烧的效率提高归因于它独特 的热释放过程，其中燃料-空气混合物的燃烧发生的比常规燃烧快数万倍，这依赖于传播 的火焰峰（flame front)。虽然更有效率，爆震燃烧也可以是更加难以控制的。例如，困难 在启动和维持爆震燃烧时出现。然而，在发动机控制技术中的最新进展允许克服这些困难。
【发明内容】
[0006] 所提供的是爆震发动机和方法。爆震发动机可产生稳定的爆震驻波。由稳定的爆 震波产生的加热燃烧产物的流动可以被转换成机械能。例如，所述爆震发动机可具有爆震 波在其中被稳定的燃烧腔室。该腔室可部分地被例如涡轮叶片围绕，所述涡轮叶片可提供 障碍物以限制爆震波的自由膨胀，从而有助于形成稳定的驻波。
[0007] 在一个方面，爆震发动机可包括具有流体地连接到第一储箱的第一端部和流体地 连接到爆震发动机的第二端部的第一入口、具有流体地连接到第二储箱的第一端部和与第 一入口相对地流体连接到爆震发动机的第二端部的第二入口。所述第一和第二入口可与共 同轴线对齐。该爆震发动机还可包括连接到所述第一入口的第一喷嘴、连接到所述第二入 口的第二喷嘴，以及布置在所述第一入口的第二端部与所述第二入口的第二端部之间分离 器。第一入口、第二入口和分离器可以沿共同轴线定位。
[0008] 在一些实施例中，爆震发动机可包括构造为在所述爆震发动机中稳定爆震的障碍 物。爆震发动机可包括可旋转地附接到所述爆震发动机的一个或多个涡轮。涡轮还可以包 括构造为在所述爆震发动机中稳定爆震的叶片。所述第一储箱可被构造为接收氧化剂。所 述第二储箱可被构造为接收燃料。第一喷嘴可以靠近第一入口的第二端部。第二喷嘴可以 靠近第二入口的第二端部。第一喷嘴可布置在第一入口内。第二喷嘴可布置在第二入口内。
[0009] 在另一方面，一种用于引爆燃料与氧化剂的混合物的方法可以包括通过第一入口 引入氧化剂到爆震发动机，通过第二入口引入燃料到爆震发动机，其中第一和第二入口可 与共同轴线对准，然后在距共同轴线一定距离处的圆柱爆震区域内引爆燃料与氧化剂的混 合物。一种方法可以包括加速氧化剂通过第一喷嘴，并加速燃料通过第二喷嘴。一种方法 可以包括靠着分离器的第一侧并且从共同轴线径向向外地引导所述氧化剂，以及靠着分离 器的第二侧并且从共同轴线径向向外地引导所述燃料，所述第二侧与第一侧相对。
[0010] 在一些实施例中，第一入口具有流体地连接到第一储箱的第一端部和流体地连接 到爆震发动机的第二端部。第二入口具有流体地连接到第二储箱的第一端部和流体连接到 爆震发动机的第二端部。所述第一和第二入口可与共同轴线对齐。加速氧化剂通过第一喷 嘴可以产生超音速流，并且加速燃料通过第二喷嘴可产生超音速流。一种方法可以包括膨 胀由引爆混合物产生的燃烧产物通过祸轮以做功（produce work)。一种方法可包括提供障 碍物以抑制由引爆混合物产生的燃烧产物的膨胀。一种方法可以包括在爆震发动机中稳定 混合物的爆震。障碍物可以构造在爆震发动机中以实现爆震的稳定化。障碍物可以是涡轮 叶片，其可以，例如，将燃烧产物的动能转化为机械能。
[0011] 其他方面、实施例和特征将从下面的描述、附图和权利要求书中显而易见。
【附图说明】
[0012] 图1是爆震发动机的横截面视图。
[0013] 图2是示出示例性圆柱形爆震区域的爆震发动机的横截面视图。
[0014] 图3是在爆震中以压力表示的模拟驻波。
[0015] 图4是在爆震中以温度表示的模拟驻波。
[0016] 图5描绘了在径向膨胀流中的驻定爆震（standing detonation)的几何形状。
[0017] 图6描绘了绝热膨胀和爆震冲击波的位置-速度曲线。
[0018] 图7a)至i)描绘了作为以马赫数给出的入流的函数的爆震半径。
[0019] 图8描述了示例性稳定爆震剖面（detonation profiles)。
[0020] 图9描绘了作为初始流的函数的示例性爆震半径。
[0021]图10描述了作为E和Q的函数的最小爆震半径。
[0022] 图11描绘了以方波状稳定解开始的爆震崩溃（collapse)。
[0023] 图12描绘了以方波状稳定解开始的爆震膨胀。
[0024] 图13描绘了膨胀爆震的稳定化。
[0025] 图14描绘了在障碍物的存在时的爆震波启动（initiation of a detonation wave)〇
[0026] 图15描绘了反应区的详细结构。
【具体实施方式】
[0027] 在实验性发动机中实现爆震驻波可以是挑战性的，但使用计算模型可以显著地提 高成功的可能性。例如，通过迭代方法，计算模型可以使研宄者能够无需建造一系列原型而 确定有效几何形状和边界条件。该计算模型应当考虑守恒定律、化学反应机制以及稳定性 考虑。爆震波可以被建模为跟随着反应区的冲击波。为了简化计算并减少计算时间，爆震 波可以被建模为气体分子量没有变化的理想流体。能量增加可以被假定为发生在单步化学 反应中。为了进一步简化计算，热传导和粘度的作用可以被忽略。所得系统的二维反应欧 拉方程能够例如在并行计算机集群上有效地解决，以便测试爆震驻波的稳定存在性。
[0028] 在爆震发动机中，反应混合物的超音速流可以离开德拉瓦尔喷嘴（de Laval nozzle)，并能形成，例如，马赫盘。在马赫盘中的气体压缩可以启动下游化学反应，使得反 应区形成在离所述盘一定距离处。这种流构造的一个早期实验研宄被在[10]中报道，其 中，作者能够实现驻定冲击-反应-区域复合体。即使这种构造类似于爆震，它也许更适合 被称为冲击诱导的燃烧，而不是爆震，因为马赫盘能够在这样的流中稳定地存在，而与化学 反应的存在无关。尽我们所知，反应区在马赫盘的存在和性质中起作用的程度似乎没有被 很详细地探索。
[0029] 在推动燃料和氧化剂通过例如会聚_扩散喷嘴进入测试通道的高压供应罐的帮 助下，燃料_空气混合物的超音速流可以产生。对与所述流一起传播或逆所述流传播的爆 震进行了研宄，并对通道内的流边界层在爆震速度上的影响进行了研宄。在[21]中，通过 改变通道几何形状的稳定化使用氢气-空气的多步动力学模型而数值地考虑。他们的结论 是，通道横截面的变化可以用来稳定在通道中的爆震波。
[0030] 爆震也可以被钝体在超音速流中稳定。在这样的构造中，爆震可以被稳定在反应 气体的超音速流中的楔形体上。化学反应可以在楔形体前端下游的一定距离处开始，并可 以影响附着到楔形体的冲击波的结构。类似于在德拉瓦尔喷嘴中的马赫盘下游的反应的情 况，在这种构造中的冲击波即使没有化学反应也可以存在，所述化学反应即冲击诱导的燃 烧。
[0031] 通过在轴向上固定其位置，但允许它在方位角方向上旋转，爆震可以被稳定在超 音速流中。这样的构造可以实现连续旋转爆震。超音速空气流可以进入两个同轴圆柱之间 的薄缝隙并与燃料混合。燃料可以从例如内圆柱注入。该混合物可以在旋转爆震波中连续 地燃烧，所述旋转爆震波在圆周方向上传播。这种构造可以在爆震发动机中使用，例如，作 为脉冲爆震发动机的替代。
[0032] 如下面进一步讨论的，对根据单步阿兰尼乌斯（Arrhenius)反应模型的理想气体 反应使用可压缩欧拉方程，可以