不稳定燃烧的分类

按照压强振荡的频率， 可将不稳定燃烧分为高频不稳定燃烧、 中频不稳定燃烧和低频不稳定燃烧， 如图4-2所示。 其中， 高频振荡频率在1000Hz以上， 中频为100～1000Hz，低频为100Hz以下。 一般所指的不稳定燃烧是前两种现象， 而低频不稳定燃烧则主要是指不完全燃烧或L∗不稳定燃烧。L∗是一种特征长度，定义为单位喉部面积At的燃烧室体积Vc，即L∗＝Vc／At。有关低频不稳定燃烧将在后面具体分析。

图4－2 不稳定燃烧分类 （按频率）

不稳定燃烧按产生的机理可分为声不稳定燃烧和非声不稳定燃烧两大类， 其中每一类又分为线性不稳定燃烧和非线性不稳定燃烧， 如图4-3所示。

图4－3 不稳定燃烧分类 （按机理）

发动机内腔可以看成一个自激声振系统， 声不稳定燃烧是装药燃烧过程与发动机内腔声振过程相互作用的结果， 其特点是压强的振荡频率同发动机内腔声振的固有频率基本一致。非声不稳定燃烧则与声振无关， 可以是燃烧过程本身的周期性变化， 属于固有的燃烧不稳定性 （combustion instability）； 也可以是燃烧过程与排气过程相互作用的结果， 其特征是燃烧室内的瞬时压强处处均匀一致， 压强振荡是整体性的， 其频率远小于内腔的最低声振固有频率， 因此， 这类不稳定燃烧又称为整体振型 （振型的分类如图4-6所示） 不稳定燃烧。

线性不稳定燃烧的压强振幅很小， 它是由微弱扰动发展起来的， 振荡波形呈现正弦波特征， 即简谐振荡， 其振幅按指数规律增长， 且相对增长率为常数。 这种振荡在理论分析时可以用线性微分方程组来描述， 并可应用叠加原理。 线性不稳定燃烧可以使燃烧室压强和发动机推力产生较大的振荡， 但对平均压强和平均推力的影响不大。

非线性不稳定燃烧是在有限振幅振荡的基础上发展起来的， 它一开始就不是微弱扰动，而是有一定强度的扰动， 必须用非线性微分方程组描述。 非线性不稳定燃烧的振荡波形是有畸变的， 不是简谐振荡的正弦波， 振幅不符合指数增长规律， 其相对增长率也不是常数， 所以发展到一定程度后不仅使压强和推力发生较大的强振荡， 而且还将使压强和推力的平均值也发生很大变化。

非线性不稳定燃烧往往是线性不稳定燃烧发展的结果。 而且， 线性不稳定系统有时也可以是非线性不稳定的。 当线性不稳定燃烧受到一定强度的扰动时， 可以产生非线性不稳定燃烧， 以致发展到较大幅度的压强振荡。 这类非线性不稳定又称为脉冲触发不稳定。

通常情况下， 高频和中频不稳定燃烧大多属于声不稳定燃烧， 而低频不稳定燃烧则可能是声不稳定的，也可能是非声不稳定，但大多属于非声不稳定，如不完全燃烧或L∗不稳定燃烧就是非声不稳定燃烧。

声不稳定燃烧按推进剂燃烧过程与声场相互作用的机理， 可以分为压强耦合型声不稳定燃烧和速度耦合型声不稳定燃烧， 如图4-4所示， 其中压强耦合型是主要的类型。

上述分类对深入研究不稳定燃烧具有重要意义。 但应注意的是， 某个具体发动机所出现的不稳定燃烧往往并不是某种单一类型的不稳定燃烧， 而可能是多种因素共同作用的结果。在工程上， 按压强振荡幅度的大小， 又将声不稳定燃烧分为弱声不稳定燃烧、 强声不稳定燃烧和触发声不稳定燃烧三类， 如图4-4、 图4-5所示。

图4－4 声不稳定燃烧分类

图4－5 声不稳定燃烧的压强特征曲线

（a） 弱声不稳定燃烧； （b） 强声不稳定燃烧； （c） 触发声不稳定燃烧

除了振荡的振幅大小和频率高低以外， 振型 （又称振模） 也是声振的基本特征， 包括波振面的几何特性、 波的传播方向等， 其实质是声振参数在声腔中的分布和传播形式。 声腔的振型取决于声腔的几何形状与尺寸、 介质的特性和声腔的边界条件等。 对于固体火箭发动机而言， 燃烧室内腔的结构、 推进剂和燃烧产物的特性等是决定振型的主要因素。 以圆柱形燃烧室内腔为例， 各种振型如图4-6所示， 图中无箭头的线表示瞬时等压强线， 箭头表示燃气质点的运动方向。 可见， 声不稳定燃烧的声振模型主要有纵向振型、 切向振型和径向振型， 通常将切向和径向振型统称为横向振型。

图4－6 发动机燃烧室中的声振模型示意图

（a） 纵向振型； （b） 切向振型； （c） 径向振型

对振荡现象而言， 频率越高则波长越短， 所以高频和中频振荡的波长一般远小于燃烧室的尺寸， 其压强振荡情况随燃烧室内的位置不同而变化； 低频振荡的波长较长， 如果波长大于燃烧室尺寸， 则可使整个燃烧室空腔以同一个压强随时间振荡， 故振荡仅仅是时间的函数， 随空间位置的变化可以忽略不计。 这种低频振荡的振型又称为整体振型。