第1章绪论
1.1引言
1.1.1燃烧与火焰燃烧与火焰在人类历史的发展过程中起着至关重要的作用。从远古的钻木取火到现代的能源和动力设备，都与燃烧过程密不可分。燃烧现象涉及多种物理、化学过程，其机理非常复杂，至今仍是前沿科学研究课题。
燃烧的本质是燃料和氧化剂的化学反应，是燃料的化学能转变为热能，并伴随着发光现象。化学反应是分子之间的碰撞导致反应物分子的化学键断裂，然后重组形成燃烧产物，因此，燃烧反应只能在分子层级上进行［1］。液体和固体燃料的燃烧过程，*先是燃料受热后转化为气相分子（液体燃料通过蒸发过程变成气相分子，固体燃料通过析出气相分子或固体表面分子与氧化剂分子反应），然后在气相中混合、发生化学反应，完成燃烧过程。如果发生燃烧反应的气体流动速度较低，流动是层流，那么称为层流火焰；如果流动速度较高，流动是湍流，那么称为湍流火焰。
按照燃烧前燃料和氧化剂的混合程度分类，常见的燃烧模式主要有三种：扩散燃烧、预混燃烧、预混扩散燃烧。在实际的燃烧现象中，要严格地定义和区分三种燃烧模式比较困难。一般情况下，如果燃料和氧化剂分开进入燃烧区，通过分子扩散或湍流扩散作用来实现燃料和氧化剂的混合，发生化学反应并形成火焰，这类燃烧就是扩散燃烧，如乙炔氧气焊枪火焰。如果燃料和氧化剂是预先混合均匀后，再进入燃烧区进行燃烧，这类燃烧就是预混燃烧，例如，采用化油器的汽车发动机内部燃烧。实际上，在大多数工程应用中，燃料和氧化剂是分开进入燃烧器的，但是燃烧往往是在燃料和氧化剂实现一定程度的混合后才进行的，这时部分火焰是预混燃烧，部分火焰是扩散燃烧，即预混扩散燃烧。例如，煤气灶燃烧，煤气通过自身引射作用先与部分空气进行预混，在炉头再与周围空气进行燃烧，因此其核心火焰为预混燃烧，外围火焰为扩散燃烧。
如果按火焰传播速度来分类，那么燃烧可以分成爆燃（deflagration）和爆震（detonation）两大类。爆燃火焰的传播速度较低，一般只有几米/秒至几十米/秒，低于燃烧产物的当地声速，例如，常见的各种发动机、工业炉、燃气灶等设备的燃烧。爆震火焰的传播速度很快，一般在几百米/秒～几千米/秒，常常超过燃烧产物的当地声速，因此燃烧波前面会有激波，例如，煤矿瓦斯爆炸、粉尘爆炸、炸药爆炸等。扩散燃烧、预混扩散燃烧的火焰传播速度低，都属于爆燃。预混燃烧火焰有可能是爆燃，也有可能是爆震，这取决于燃料活性、混合均匀度、燃烧的初始条件和边界条件等多种因素［2］。
1.1.2爆震燃烧一般认为，Abel于1869年发现了爆震现象，因为他测量得到了火药棉（guncotton）中的爆震速度。Berthelot和Vieille于1881年测量了不同燃料气体和氧化剂混合物的爆震速度，他们是研究爆震现象的先驱者。Mallard和Le Chatelier于1883年利用鼓式相机试验观察到了爆燃向爆震的转变过程，证明了在同一种气体混合物中可能存在两种燃烧模式，并提出了爆震波中的化学反应是通过激波绝热压缩诱导产生的。
Rankine和Hugoniot先后对包含激波间断面的一维定常流守恒方程进行了分析，推导出消除了流动速度项的兰金雨贡尼奥（RankineHugoniot）公式，得到了激波前、后的气体压力和密度关系式。在他们的研究基础上，Chapman和Jouget分别根据*小速度解、*小熵解准则建立了爆震波理论，给出了可燃混合物中爆震波传播速度的计算方法，即著名的ChapmanJouget（CJ）理论。CJ理论虽然是从简单的一维定常流动得出的，但是在预测爆震波传播速度时，表现出很好的准确性，至今仍被广泛地使用。有关爆震的早期研究历史可参考文献［3］。
CJ理论完全忽略了爆震波的细节，也没有考虑激波对燃烧过程的影响，因而不能反映爆震波的传播机理。Zeldovich、von Neumann和Doring分别*立地提出了一维爆震波结构模型，指出爆震波是由前导激波和其后的燃烧区共同组成的，即ZND模型。ZND模型解释了爆震波自持传播机理，认为前导激波对未燃气体进行绝热压缩，压力、温度陡升，点燃其后的燃烧区，燃烧剧烈放热，进一步大幅度地提高温度，燃气膨胀效应对未燃气的压缩作用又推动前导激波运动，两者紧密地相互耦合在一起。因此，爆震波可以看作激波与燃烧的耦合体。一旦激波后的燃烧强度不够（如燃料和氧化剂混合不充分，燃烧释热量不够），就难以维持激波强度，激波与燃烧就会解耦，爆震波熄爆。
图1.1理想爆震波模型与纹影图
实际上，爆震波虽然总体上维持一个稳定的传播速度（接近CJ理论速度），但在大多数情况下，爆震波并不像ZND模型那样是一个一维结构，而是一个复杂的三维结构，并且爆震波在本质上都是不稳定的，在试验中也很少能观测到ZND模型那样的理想结构［3］。理想爆震波模型与纹影图见图1.1。随着试验测量和数值模拟技术的飞速进步，目前对理想条件下的爆震波结构、传播特性等已有比较丰富的认识，但在爆震发动机中的复杂条件下，爆震波的起爆、自持、传播机理还不是很清楚，有待深入研究。
1.2发动机燃烧及热力循环
现有的化学能发动机都是采用爆燃燃烧方式完成燃料化学能到热能的转换，进而产生推力。例如，航天领域的液体/固体火箭发动机、航空和舰船领域的燃气涡轮发动机、导弹用的亚燃/超燃冲压发动机等。从发动机的热力循环过程看，都属于等压燃烧循环。由于爆燃燃烧在工程上很容易实现，因此得到了广泛的应用。
爆震燃烧是典型的预混燃烧，燃烧效率高，释热速率快、释热距离短，燃烧室几何尺度小；爆震波后压力高，具有自增压特性。应用爆震燃烧的推进系统主要有脉冲爆震发动机、斜爆震发动机、旋转爆震发动机等，已成为航空航天推进系统的重要发展方向。但由于技术实现难度大，到目前为止，世界上还没有一种采用爆震燃烧方式的发动机投入使用。
无论是爆燃燃烧还是爆震燃烧的发动机都属于热机范畴，都是通过燃烧过程把化学能转变为热能，再通过燃气膨胀过程把热能转化为机械能。因此，燃烧过程的完善程度主要影响化学能转化为热能的效率，与热能转换为机械能的关系不大，当然不是完全没有关系。此外，从理论上讲，无论是爆燃还是爆震，只要燃烧过程组织完美，都可以使燃料的可用化学能完全转化为热能。至于有多少热能转化为机械能，主要取决于燃烧热释放时的压力条件（决定了热能的品位），以及燃烧产物的膨胀流动过程，这就与发动机的结构形式和工况参数有关。
燃烧型热机主要有两种热力循环形式： 一种是布雷顿循环（Brayton cycle），即等压燃烧循环，发动机内部一边燃烧放热，一边膨胀对外做功，以保持燃烧室压力基本不变，现役的燃烧型发动机大都是等压燃烧；另一种是汉弗莱循环（Humphrey cycle），即等容燃烧循环，先在容积不变的条件下完成燃烧过程，然后再膨胀做功。由于等容燃烧在工程上不容易实现，目前发动机较少采取这种循环方式。
对于等压燃烧循环，其热力循环效率分析如下。假设燃烧产物是完全气体，其热力学参数为压力pc、温度Tc、比热比k、比热容Cp，经过等熵流动，排出发动机时的压力pe、温度Te。燃气在膨胀过程中压力、温度下降，速度增加，实际上就是燃气的热能转化为其动能。根据等熵流动，则有pc/pe=（Tc/Te）[k/（k－1）]（1.1）假设燃气的比热容Cp不变，则燃气热能变化量为ΔQ=Cp（Tc－Te）=CpTc1－TeTc=CpTc1－pcpe1－kk（1.2）式中，ΔQ为燃气热能转化为动能的部分。可见，燃烧温度Tc越高、燃气膨胀的落压比pc/pe越大（或燃烧室压力越高），燃气热能转化为动能的部分就越多。
热力循环效率为η=ΔQQ=ΔQCpTc=1－pcpe1－kk（1.3）可见，布雷顿循环的效率主要与燃气膨胀过程的落压比直接相关。
对于等容燃烧循环，理论上，在初始状态相同时，燃烧释放的化学能与等压燃烧一样多。但由于容积不变，燃烧发生时不对外做功，所以燃气温度更高，燃烧室压力也会显著地高于等压燃烧。如果燃气膨胀到相同的环境压力，那么其循环效率就比等压燃烧更高。
爆震燃烧类似于等容燃烧，但比等容燃烧更复杂。主要体现在两方面：一是爆震波是激波和燃烧波的耦合，在燃烧发生前有一个激波压缩过程，燃烧反应是在压力升高后的基础上进行的；二是经过激波压缩后的预混气燃烧反应速度很快，燃气来不及膨胀，接近于等容燃烧。但实际的爆震波结构很复杂，受燃料的活性影响，激波后的燃烧反应区有一定的长度，不是严格意义上的等容积燃烧。
*早开展爆震热力循环分析的是Zeldovich，他以乙烯氧气混合气为例得出的结论：虽然爆震循环比等容循环的效率高13%，但爆震后的燃气能量有一部分将用于维持爆震波，考虑到可用燃气能量、各种损失和实际应用难度，他不建议发动机采用爆震燃烧循环。Zeldovich还比较了超声速正爆震冲压发动机和亚燃冲压发动机的性能，由于爆震激波损失，前者的推力比后者小很多［6］。
在文献［7］～［11］中，对布雷顿循环、汉弗莱循环、爆震循环（也称为FickettJacobs循环）进行了理论分析比较，得出的结论就是爆震循环的效率与等容燃烧相当，大幅度地高出布雷顿循环效率，见表1.1［10］。但需要注意，上述结论不是普适结果，存在误导的嫌疑。如在文献［11］的分析中（图1.2），三种循环都从初始状态点1预压缩到状态点2，然后开始爆燃或爆震加热过程，分别到达状态点3、3′、3″，再膨胀到状态点4、4′、4″，*后都回归初始状态点1。图1.2中选取的预压缩量较小，也就是布雷顿循环的压力值较低，爆震波后的压力却很高，波后/波前的压比接近10。这与实际情况不相符，因为等压燃烧发动机（除了冲压发动机，其他如火箭发动机、涡轮发动机、活塞发动机）的室压一般不会只有图中的3～5atm（1atm＝1.01325×105Pa），而爆震波后压力也很难达到50atm。因此，三种循环的实际效率差别并没有表1.1中那么大。表1.1不同燃料、不同热力循环的效率比较［10］燃料布雷顿循环/％汉弗莱循环/％爆震循环/%H236.954.359.3CH431.450.553.2C2H236.954.161.4图1.2三种热力循环的PV图［11］
图1.3不同预压缩比时循环效率［8］
实际上，随着预压缩量的增加，状态点2的压力值会越来越高，也就是等压燃烧循环的压力越来越高，三种循环的效率差别会越来越小，如图1.3所示。而随着预压缩量的增加，在高压下起爆越来越困难，并且混合气很容易产生爆燃，爆震维持也更难。
众所周知，热力循环的本质就是热转换为功的过程，热量只有在高压条件下转化为做功工质的内能，才能在工质膨胀过程中高效率地做功。因此，无论是爆燃还是爆震，核心关键是要看释热过程的压力。假设两个不同发动机，一个采用等压燃烧，爆燃在100atm条件下完成；另一个采用爆震燃烧，而爆震波后压力只有30atm。如果工质膨胀到相同的环境压力，那么前者的热效率必定比后者高。也就是说，爆震循环效率并不一定比等压燃烧循环高。
1.3爆震发动机种类及工作原理
在20世纪四五十年代，德国的Hoffmann［12］*早提出了把爆震燃烧应用于发动机的设想，并实现了乙炔/氧气的间歇式爆震。法国的Roy［13］提出了在超声速气流中稳定爆震波的设想，这是后来斜爆震发动机概念的源头。美国密西根大学的Nicholls等［14］在1957年提出了脉冲爆震发动机概念并开展了试验研究（图1.4）。1958年，Nicholls等［15］又提出了驻定斜激波爆震和正激波爆震发动机概念，并开展了正激波爆震试验。1966年，Nicholls等［16，17］提出了旋转爆震发动机概念，也开展了试验，但未成功。此后，爆震发动机发展一直处于停滞状态，直到20世纪80年代中期，美国的Helman等［18］、Eidelman和Grossmann［19］又重新开始脉冲
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