摘要：分析了家用燃氣熱水器噪音產(chǎn)生的直觀原因，認為火焰自發(fā)性振蕩產(chǎn)生的燃燒噪音是影響燃熱產(chǎn)品噪音的內(nèi)在關(guān)鍵因素，因而降低其噪音必須圍繞實現(xiàn)燃具的穩(wěn)定燃燒來展開，而非單純采用噪音計來測量并降低噪音；燃燒室中熱輻射場、壓力場以及速度場等熱工量的高頻動態(tài)測量與燃燒的數(shù)值模擬相結(jié)合是實現(xiàn)燃燒流場分析并改良燃燒工況的前提，本文并提出研究燃燒不穩(wěn)定性的實驗裝置，為下一步燃熱產(chǎn)品的降噪研究進行初步理論準(zhǔn)備。

1引言衡量包括家用燃氣熱水器在內(nèi)的家電產(chǎn)品質(zhì)量的一項重要指標(biāo)就是其噪音值，GB6932-2001規(guī)定：燃熱產(chǎn)品的噪音要求在65dB以下

該指標(biāo)限制了噪音超過65dB的產(chǎn)品進入市場。若燃熱產(chǎn)品的噪音越低，其市場競爭力越強，然而即使是批量檢驗合格的產(chǎn)品進入家庭后，在氣源、使用環(huán)境以及產(chǎn)品老化等客觀因素影響下，也會產(chǎn)生較大的噪音，給用戶造成很大的心理壓力；甚至產(chǎn)品本身發(fā)生危險事故，給生產(chǎn)商的品牌聲譽造成不良影響。因此開發(fā)良好的氣源及氣候適應(yīng)性的低噪音燃熱產(chǎn)品，是研發(fā)人員的職責(zé)，也是提高產(chǎn)品市場競爭力的有效途徑。

2燃氣熱水器主要噪音類別家用燃氣熱水器的噪音具有多個不同的噪音源，而且是不同頻率、不同強度、有規(guī)律或者無規(guī)律的聲音組合在一起形成的聲音效果。其主要噪音源包括：

機械噪音：風(fēng)機旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)動軸、葉片殼體發(fā)生機械碰撞、摩擦所發(fā)生的噪音；(2)空氣動力學(xué)噪音：包括燃氣、空氣及煙氣中產(chǎn)生渦流等不穩(wěn)定流動，如卡門渦街，導(dǎo)致氣體流動的速度和壓力發(fā)生周期性的交變，從而產(chǎn)生空氣動力學(xué)噪音；(3)水流噪音：由于燃氣熱水器水箱盤管的存在，導(dǎo)致水流經(jīng)過的時候產(chǎn)生水錘沖擊噪音，水箱中流動的水快速受熱汽化時也會發(fā)出噪音；

(4)燃燒噪音：燃燒噪音的機理十分復(fù)雜，不僅與燃料有關(guān)，與燃燒過程有關(guān)，更與燃燒器及燃燒室的設(shè)計密切相關(guān)。在家用強排式燃氣熱水器中，正常燃燒過程的燃燒噪音即具有紊流寬頻連續(xù)噪音頻譜特征，而當(dāng)不穩(wěn)定燃燒發(fā)生時候，其燃燒頻譜特征為具有多個明顯的譜峰，其實質(zhì)是火焰頻繁的離焰抖動，造成水箱內(nèi)燃燒壓力波的振蕩和放大，形成共振噪音。對于燃氣熱水器開發(fā)者而言，目前亟需解決的噪音問題是燃燒噪音問題，燃燒噪音問題不僅僅產(chǎn)生噪音共振的問題，更為重要的是當(dāng)產(chǎn)生燃燒噪音時，同時伴隨燃燒工況惡化，會嚴重影響用戶的健康和安全。

3產(chǎn)生燃燒噪音的主要因素燃燒不穩(wěn)定性的概念：燃燒處于脫火極限曲線和回火極限曲線之間的燃燒工況為穩(wěn)定燃燒工況，火焰不能穩(wěn)定處于此兩曲線之內(nèi)，即為燃燒不穩(wěn)定狀態(tài)。若火焰不能穩(wěn)定的駐扎在燃燒器上方，頻繁離焰甚至回火，形成周期性不穩(wěn)定的熱釋放，該熱釋放進一步對燃燒室內(nèi)壓力波動構(gòu)成激勵并符合瑞利準(zhǔn)則，便形成振蕩燃燒。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蕩燃燒的原因展開分析。不穩(wěn)定熱釋放作為振蕩燃燒的激勵源，是形成燃燒不穩(wěn)定發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，影響熱釋放的主要因素有：火焰表面積的脈動，燃料當(dāng)量比的脈動及流動旋渦的形成。

影響熱釋放導(dǎo)致上面所述三種結(jié)果從而最終形成振蕩燃燒的直觀外因有：

風(fēng)機出口氣流的脈動：若風(fēng)機流道設(shè)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(jīng)燃燒部件的外壁面后再進入風(fēng)機，若流道過于狹窄導(dǎo)致空氣流速過快，而流道本身又不規(guī)則，空氣在進入風(fēng)機之前即可能流動失穩(wěn)，而這種流動失穩(wěn)也會傳遞到風(fēng)機出口處。燃燒器的設(shè)計不合理及加工制造誤差。這些因素導(dǎo)致空氣和燃料氣在燃燒器中混合不均勻，導(dǎo)致形成不穩(wěn)定燃燒。一次風(fēng)風(fēng)量的不合理性。包括風(fēng)量計算失誤和燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理等因素造成的一次風(fēng)不合理。燃料因素。甲烷、二甲醚等氣種燃燒時容易離焰；大氣的性質(zhì)。大氣壓力，溫度和濕度導(dǎo)致燃燒速度的改變，有可能形成不穩(wěn)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(dǎo)致火焰的抖動，并與聲壓波動耦合，若符合瑞利準(zhǔn)則，熱聲振蕩便會加強；若其頻率接近燃燒系統(tǒng)的聲學(xué)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(tǒng)的固體本征頻率，則可能會導(dǎo)致燃燒系統(tǒng)嚴重破壞甚至解體。影響燃燒穩(wěn)定性的外因可通過一些經(jīng)驗性方法加以解決，比如：調(diào)整風(fēng)機擋板、更換設(shè)計和工藝水平優(yōu)良的燃燒器加以解決，但這些經(jīng)驗性的方法不能從根本上抑制不穩(wěn)定燃燒的發(fā)生。影響振蕩燃燒的內(nèi)因在于燃燒系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)，即水箱尺寸、燃燒器燃面聲導(dǎo)納及包括水箱換熱器在內(nèi)的排煙通道的聲阻尼。燃燒系統(tǒng)的固有頻率即主要由上述三變量所決定。即使外因存在，若內(nèi)因不符合振蕩燃燒規(guī)律，仍然不能激發(fā)振蕩燃燒。因此合理設(shè)計水箱尺寸、燃燒器及換熱器流道結(jié)構(gòu)，可從根本上抑制振蕩燃燒的發(fā)生。

4振蕩燃燒研究進展包括內(nèi)燃機、鍋爐、燃氣輪機以及火箭發(fā)動機均存在不穩(wěn)定性燃燒現(xiàn)象，較高頻的振蕩嚴重干擾燃燒過程，損害燃燒室結(jié)構(gòu)。但也有工業(yè)爐利用振蕩燃燒提高爐膛放熱強度。振蕩燃燒理論研究方面，人們認為：振蕩頻率取決于燃燒系統(tǒng)的聲學(xué)特性，而激振條件取決于瑞利準(zhǔn)則。雖然振蕩燃燒做了理論性的闡述，但涉及到具體的燃燒系統(tǒng)，存在數(shù)學(xué)模型和邊界條件的不同，還是需要大量的振蕩實驗取得經(jīng)驗參數(shù)去補充數(shù)學(xué)模型。國內(nèi)研究振蕩燃燒的有：上海交通大學(xué)對鍋爐不穩(wěn)定性燃燒的測量，北京航空航天大學(xué)對與火箭發(fā)動機的分析，天津大學(xué)對于內(nèi)燃機燃燒不穩(wěn)定性的測量[8]，燃氣輪機不穩(wěn)定性的CFD模擬方面：近年來，科學(xué)院力學(xué)所、西安交通大學(xué)和東南大學(xué)等做了部分工作。在民用燃氣具領(lǐng)域，無論是理論還是實驗，國內(nèi)從事該方面的研究和探索還是空白。

5振蕩燃燒的實驗?zāi)康暮蜏y量方法實驗?zāi)康模簻y量冷態(tài)和熱態(tài)情況下系統(tǒng)的振蕩頻率、燃面聲導(dǎo)納和煙道聲阻尼，找到燃燒振蕩和燃燒器及煙道結(jié)構(gòu)之間的核心規(guī)律，從而分析形成燃燒振蕩的內(nèi)在原因,即燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸對振蕩燃燒的影響。

1－燃氣熱水器；2－石英玻璃；3－光電管；4－微型壓力傳感器；5－高頻動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀；6－直流供電電源；7－采集電腦；8－波譜分析儀；9－激光多譜勒測速儀圖1燃燒不穩(wěn)定性研究的實驗裝置原理內(nèi)容整理由巴巴傳媒旗下中國壁掛爐網(wǎng)發(fā)布實驗裝置的其主要測量原理是：在最大燃燒負荷下，當(dāng)熱水裝置共振時，測得燃面處速度變化（LDV），燃燒室壓力變化，及熱釋放的變化（光電管測CH鍵釋放波）；由測得上述參數(shù)計算燃面聲導(dǎo)納及煙道聲阻尼，找出振動頻率和所測熱工參數(shù)之間關(guān)系，從而分析振蕩燃燒的內(nèi)在規(guī)律。通過找出內(nèi)在規(guī)律，研發(fā)人員可合理設(shè)計燃燒器、煙道及燃燒室結(jié)構(gòu)，避開共振區(qū)。當(dāng)然也可嘗試運用CFD來模擬振蕩燃燒，但熱水器燃燒系統(tǒng)的Gambit模型的復(fù)雜性導(dǎo)致模擬難度大大增加。

6降低燃燒噪音和改進共振的原則性方向通過對引起燃燒不穩(wěn)定性的內(nèi)外因素的討論，可總結(jié)出降低燃燒噪音的原則性方向，主要包括：

改造燃氣熱水器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置，使得空氣在進入風(fēng)機的之前的流場不會產(chǎn)生失穩(wěn)；改造風(fēng)機制造工藝和提高流道的設(shè)計水平，使得風(fēng)機運轉(zhuǎn)的時候不會產(chǎn)生渦街；提高燃燒器支架和燃燒器制造的工藝水平。使得一、二次風(fēng)分配更加均勻合理，抗擾動性強；改進水箱和煙道的設(shè)計。改變聲導(dǎo)納，避開共振區(qū)；合理采用消音和吸音措施。可以在煙道上安裝吸音裝置及在燃氣熱水器殼體上采用消音處理，可降低噪音。7結(jié)論歸納并總結(jié)家用燃氣熱水裝置噪音種類和產(chǎn)生燃燒噪音的主要原因，指出燃燒噪音涉及復(fù)雜的不穩(wěn)定燃燒機理，既有外在因素的影響，也有其內(nèi)在的原因，可以科學(xué)合理的組織研究不穩(wěn)定燃燒，通過實驗得出開發(fā)改進燃燒系統(tǒng)所需要的經(jīng)驗參數(shù)。本文還設(shè)計了研究燃燒噪音的實驗裝置，指出燃燒噪音這一燃熱產(chǎn)品核心研發(fā)命題的解決將有賴于理論與實驗相結(jié)合的深入研究。