[科普中国]-共振燃烧

共振燃烧的概念是：燃烧处于脱火极限曲线和回火极限曲线之间的燃烧工况为稳定燃烧工况，火焰不能稳定处于此两曲线之内，即为燃烧不稳定状态。若火焰不能稳定的驻扎在燃烧器上方，频繁离焰甚至回火，形成周期性不稳定的热释放，该热释放进一步对燃烧室内压力波动构成激励并符合瑞利准则，便形成振荡燃烧。1

定义在固体燃料火箭发动机工作过程中，往往产生不稳定燃烧，引起发动机压力变化，在压力—时间曲线上出现二次多次压力峰，这种现象称为共振燃烧，它将引起发动机推力变化，严重时可使发动机爆炸。2

产生原因共振燃烧是由于微小振动经积累放大而形成的。发动机在工作过程中，如由于某种原因（如固体附加物分布不均匀）使燃烧面处压力发生微小变化时，火药燃速经一定时间也将发生相应变化，同时压力波在燃气中传播时，经燃烧室壁反射后又回到药柱表面，这时压力波强度因往返传播及反射过程中而逐渐减弱。但当压力波回到药柱表面与火药的燃速因受压力影响而发生的变化相重合时，则压力波就逐渐加强，产生共振，在最大振幅处的药柱将破裂，燃烧面突增，燃速增大，使燃烧室压剧增，导致压力峰的出现，这就是出现共振燃烧，产生多次压力峰的原因。2

消除方式要消除共振燃烧现象，可采用化学方法或物理方法，前者在推进剂组份中加入燃烧稳定剂，以改变装药的物理化学性质，并提高燃气的吸收压力波能力；后者可在药柱上沿螺旋线分别钻径向孔，或在药柱内插入金属棒，也可改变药型及发动机的结构。2

应用燃烧处于脱火极限曲线和回火极限曲线之间的燃烧工况为稳定燃烧工况，火焰不能稳定处于此两曲线之内，即为燃烧不稳定状态。若火焰不能稳定的驻扎在燃烧器上方，频繁离焰甚至回火，形成周期性不稳定的热释放，该热释放进一步对燃烧室内压力波动构成激励并符合瑞 利准则，便形成振荡燃烧。
家用燃气热水器的噪音主要是非外激励声源形成的燃烧共振，因此研究其燃烧噪音和共振只需要围绕引起自激励振荡燃烧的原因展开分析。
不稳定热释放作为振荡燃烧的激励源，是形成燃烧不稳定发生的关键环节，影响热释放的主要因素有：火焰表面积的脉动，燃料当量比的脉动及流动旋涡的形成。

影响热释放导致上面所述三种结果从而最终形成振荡燃烧的直观外因有：

①风机出口气流的脉动：若风机流道设计不合理，出口处形成周期性的涡流释放，即影响空气的引射及燃烧焰面的抖动；某些强制燃气热水器为降低水箱等燃烧部件外壁面的温度，需要让空气流经燃烧部件的外壁面后再进入风机，若流道过于狭窄导致空气流速过快，而流道本身又不规则，空气 在进入风机之前即可能流动失稳，而这种流动失稳也会传递到风机出口处。

②燃烧器的设计不合理及加工制造误差。这些因素导致空气和燃料气在燃烧器中混合不均匀， 导致形成不稳定燃烧。

③一次风风量的不合理性。包括风量计算失误和燃烧器结构设计的不合理等因素造成的一次风不合理。

④燃料因素。甲烷、二甲醚等气种燃烧时容易离焰。

⑤大气的性质。大气压力，温度和湿度导致燃烧速度的改变，有可能形成不稳定燃烧。

上述外因造成火焰焰面前端形成周期性的涡脱落，或周期性释放热量的变化，或燃烧器头部燃料不均匀，导致火焰的抖动，并与声压波动耦合，若符合瑞利准则，热声振荡便会加强；若其频率接近燃烧系统的声学共振频率，便会形成严重的噪音和共振；若进一步接近燃烧系统的固体本征频率，则可能会导致燃烧系统严重破坏甚至解体。

影响燃烧稳定性的外因可通过一些经验性方法加以解决，比如：调整风机挡板、更换设计和工艺水平优良的燃烧器加以解决，但这些经验性的方法不能从根本上抑制不稳定燃烧的发生。

影响振荡燃烧的内因在于燃烧系统的几何结构，即水箱尺寸、燃烧器燃面声导纳及包括水箱换热器在内的排烟通道的声阻尼。燃烧系统的固有频率即主要由上述三变量所决定。即使外因存在，若内因不符合振荡燃烧规律，仍然不能激发振荡燃烧。因此合理设计水箱尺寸、燃烧器及换热器流道结构， 可从根本上抑制振荡燃烧的发生。1

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学