共振燃燒

共振燃燒的概念是：燃燒處於脫火極限曲線和回火極限曲線之間的燃燒工況為穩定燃燒工況，火焰不能穩定處於此兩曲線之內，即為燃燒不穩定狀態。若火焰不能穩定的駐紮在燃燒器上方，頻繁離焰甚至回火，形成周期性不穩定的熱釋放，該熱釋放進一步對燃燒室內壓力波動構成激勵並符合瑞利準則，便形成振盪燃燒。

基本介紹

• 中文名：共振燃燒
• 外文名：resonant combustion
• 含義：壓力—時間曲線上產生多次壓力峰
• 屬性：一種不穩定的燃燒狀態
• 影響：引起發動機推力變化
• 領域：熱力工程

定義

在固體燃料火箭發動機工作過程中，往往產生不穩定燃燒，引起發動機壓力變化，在壓力—時間曲線上出現二次多次壓力峰，這種現象稱為共振燃燒，它將引起發動機推力變化，嚴重時可使發動機爆炸。

產生原因

共振燃燒是由於微小振動經積累放大而形成的。發動機在工作過程中，如由於某種原因（如固體附加物分布不均勻）使燃燒面處壓力發生微小變化時，火藥燃速經一定時間也將發生相應變化，同時壓力波在燃氣中傳播時，經燃燒室壁反射後又回到藥柱表面，這時壓力波強度因往返傳播及反射過程中而逐漸減弱。但當壓力波回到藥柱表面與火藥的燃速因受壓力影響而發生的變化相重合時，則壓力波就逐漸加強，產生共振，在最大振幅處的藥柱將破裂，燃燒面突增，燃速增大，使燃燒室壓劇增，導致壓力峰的出現，這就是出現共振燃燒，產生多次壓力峰的原因。

消除方式

要消除共振燃燒現象，可採用化學方法或物理方法，前者在推進劑組份中加入燃燒穩定劑，以改變裝藥的物理化學性質，並提高燃氣的吸收壓力波能力；後者可在藥柱上沿螺旋線分別鑽徑向孔，或在藥柱內插入金屬棒，也可改變藥型及發動機的結構。

套用

燃燒處於脫火極限曲線和回火極限曲線之間的燃燒工況為穩定燃燒工況，火焰不能穩定處於此兩曲線之內，即為燃燒不穩定狀態。若火焰不能穩定的駐紮在燃燒器上方，頻繁離焰甚至回火，形成周期性不穩定的熱釋放，該熱釋放進一步對燃燒室內壓力波動構成激勵並符合瑞 利準則，便形成振盪燃燒。
家用燃氣熱水器的噪音主要是非外激勵聲源形成的燃燒共振，因此研究其燃燒噪音和共振只需要圍繞引起自激勵振盪燃燒的原因展開分析。
不穩定熱釋放作為振盪燃燒的激勵源，是形成燃燒不穩定發生的關鍵環節，影響熱釋放的主要因素有：火焰表面積的脈動，燃料當量比的脈動及流動旋渦的形成。

影響熱釋放導致上面所述三種結果從而最終形成振盪燃燒的直觀外因有：

①風機出口氣流的脈動：若風機流道設計不合理，出口處形成周期性的渦流釋放，即影響空氣的引射及燃燒焰面的抖動；某些強制燃氣熱水器為降低水箱等燃燒部件外壁面的溫度，需要讓空氣流經燃燒部件的外壁面後再進入風機，若流道過於狹窄導致空氣流速過快，而流道本身又不規則，空氣 在進入風機之前即可能流動失穩，而這種流動失穩也會傳遞到風機出口處。

②燃燒器的設計不合理及加工製造誤差。這些因素導致空氣和燃料氣在燃燒器中混合不均勻， 導致形成不穩定燃燒。

③一次風風量的不合理性。包括風量計算失誤和燃燒器結構設計的不合理等因素造成的一次風不合理。

④燃料因素。甲烷、二甲醚等氣種燃燒時容易離焰。

⑤大氣的性質。大氣壓力，溫度和濕度導致燃燒速度的改變，有可能形成不穩定燃燒。

上述外因造成火焰焰面前端形成周期性的渦脫落，或周期性釋放熱量的變化，或燃燒器頭部燃料不均勻，導致火焰的抖動，並與聲壓波動耦合，若符合瑞利準則，熱聲振盪便會加強；若其頻率接近燃燒系統的聲學共振頻率，便會形成嚴重的噪音和共振；若進一步接近燃燒系統的固體本徵頻率，則可能會導致燃燒系統嚴重破壞甚至解體。

影響燃燒穩定性的外因可通過一些經驗性方法加以解決，比如：調整風機擋板、更換設計和工藝水平優良的燃燒器加以解決，但這些經驗性的方法不能從根本上抑制不穩定燃燒的發生。

影響振盪燃燒的內因在於燃燒系統的幾何結構，即水箱尺寸、燃燒器燃面聲導納及包括水箱換熱器在內的排煙通道的聲阻尼。燃燒系統的固有頻率即主要由上述三變數所決定。即使外因存在，若內因不符合振盪燃燒規律，仍然不能激發振盪燃燒。因此合理設計水箱尺寸、燃燒器及換熱器流道結構， 可從根本上抑制振盪燃燒的發生。