專利名稱：熱聲過程測試系統(tǒng)及其測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱力學(xué)、流體力學(xué)和聲學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種用于熱 聲熱機(jī)的熱聲學(xué)測試系統(tǒng)和測試方法。
背景技術(shù)：
熱聲熱機(jī)是一種新型高效熱機(jī)，它利用物理中的熱聲現(xiàn)象，使工作氣體在熱聲元 件的微結(jié)構(gòu)通道內(nèi)完成介觀層面上的熱力學(xué)微循環(huán)，直接實(shí)現(xiàn)熱能到聲能(機(jī)械能)的相 互轉(zhuǎn)換。整個(gè)熱機(jī)系統(tǒng)內(nèi)僅僅是氣體工質(zhì)自身的振蕩，沒有任何運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)簡單，無運(yùn) 動(dòng)部件，原理上無壽命的限制，熱聲熱機(jī)帶來了熱機(jī)的革命，熱聲學(xué)是熱學(xué)與聲學(xué)交叉，需 要發(fā)展新的理論，具有十分重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用前景。由Rott、Swift等研究學(xué)者建立的線性熱聲理論，為熱聲系統(tǒng)研究和工程發(fā)展提 供了有力的工具。熱聲熱機(jī)經(jīng)歷了駐波型、行波型以及行駐波級聯(lián)型機(jī)型的發(fā)展過程，功率 密度和熱效率等性能得到很好的提升，可以和傳統(tǒng)的熱機(jī)相媲美。但是，由于現(xiàn)有技術(shù)中缺乏合適的熱聲測量方法和熱聲測試系統(tǒng)，導(dǎo)致熱聲的研 究工作很不深入，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算偏差大，進(jìn)而限制了熱聲熱機(jī)工程化進(jìn)程。對于熱聲 轉(zhuǎn)換過程的分析與實(shí)驗(yàn)已經(jīng)充分表明，熱聲過程是發(fā)生在工作氣體與熱聲元件的微通道中 的微熱力學(xué)循環(huán)，而目前的線性熱聲理論僅僅依據(jù)小振幅聲波的假設(shè)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離熱聲 過程處于大振幅的工作狀態(tài)，因此，熱聲熱機(jī)的發(fā)展需要測量熱聲元件微通道內(nèi)的熱聲過 程，從而對熱聲熱機(jī)理論發(fā)展，以及實(shí)際評價(jià)熱聲熱機(jī)中的核心熱聲元件起到不可或缺的 支持作用。目前的熱聲熱機(jī)技術(shù)中，其測量手段通常有測量截面聲壓然后通過測量兩個(gè)相 鄰壓力傳感器聲壓計(jì)算得到中點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)速度，以及用熱電偶測量回?zé)崞鲀?nèi)沿波傳播方向的溫 度等。這些測量手段顯然無法滿足熱聲研究的需要。熱聲核是熱聲熱機(jī)中實(shí)現(xiàn)熱量(聲 音)到聲音(熱量)轉(zhuǎn)化的核心部件，該部件在行波型熱聲熱機(jī)中稱為回?zé)崞?，在駐波型熱 聲熱機(jī)中稱為板疊。典型的熱聲核運(yùn)行工況是依靠冷、熱端換熱器的作用建立起可觀的溫 度梯度，熱聲核滲透層深度內(nèi)的氣體作為第一工質(zhì)，熱聲核微通道的固體作為第二工質(zhì)，第 一工質(zhì)和第二工質(zhì)相互作用發(fā)生熱聲轉(zhuǎn)換。由于熱聲核的內(nèi)部工作氣體的流道在亞毫米之 下，因此，難以布置測壓、測流速和測溫的測量器件。即使布置了傳感器，其測點(diǎn)也將大大地 影響正常的流道，導(dǎo)致測得的結(jié)果偏離實(shí)際情況，沒有實(shí)際意義。隨著新儀器的產(chǎn)生，一些新的測量流速的儀器可以較好地測量管內(nèi)大空間的氣體 工質(zhì)質(zhì)點(diǎn)速度，如激光多普勒測速儀、熱線風(fēng)速儀和粒子成像測速儀(PIV)。近年來，國際 上在傳統(tǒng)的粒子成像測速儀(PIV)基礎(chǔ)上發(fā)展了一種對微通道流動(dòng)進(jìn)行全場檢測的實(shí)驗(yàn) 方法，即微尺度粒子成像測速技術(shù)(MicroPIV技術(shù))。MicroPIV突破了傳統(tǒng)微尺度流體力 學(xué)測量手段的局限性，可以實(shí)現(xiàn)微尺度流動(dòng)元件全流場的流動(dòng)測量，并且達(dá)到相當(dāng)高的分 辨率和測量精度。然而，現(xiàn)有技術(shù)中，由于示蹤技術(shù)的限制，現(xiàn)有技術(shù)的MicroPIV只用于測 量低速定向流動(dòng)的液體工質(zhì)。而熱聲熱機(jī)采用的是氮?dú)?、氦氣等氣體工質(zhì)，并且這些氣體工質(zhì)工作在交變的波動(dòng)狀態(tài)中，液體流場的測量技術(shù)不能反應(yīng)熱聲熱機(jī)內(nèi)氣體微團(tuán)的瞬時(shí)變 化。更為關(guān)鍵的是，同一個(gè)熱聲核在不同的聲場中可實(shí)現(xiàn)不同的熱力循環(huán)，而現(xiàn)有技 術(shù)無法對溫度場和聲場進(jìn)行同步測量，因此不能體現(xiàn)熱聲過程中溫度場和聲場的相互耦合 作用，其測量結(jié)果也無法真實(shí)反映實(shí)際熱聲過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)崧暉釞C(jī)的熱聲核內(nèi)部的溫度場和聲場進(jìn)行同 步測量的熱聲過程的測試系統(tǒng)和測試方法。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種熱聲過程測試系統(tǒng)，包括聲場調(diào)制單元，連接在待測熱聲核兩端，用于在所述熱聲核兩端生成具有穩(wěn)定頻 率、穩(wěn)定幅值和穩(wěn)定相角的聲場；流場測量窗口 ；溫度場測量窗口，所述流場測量窗口和溫度場測量窗口對稱地設(shè)在所述熱聲核的 側(cè)壁上；微尺度粒子成像測速儀(MicroPIV)，用于通過所述流場測量窗口，在一系列的 采樣時(shí)間點(diǎn)t。測出所述熱聲核內(nèi)的流場分布；所述采樣時(shí)間點(diǎn)t。= mT+m/fs m = 0，1， 2，. . . Iv1 ；其中，T是所述聲場調(diào)制單元所生成的聲場的周期，fs是預(yù)設(shè)的采樣頻率，m是采 樣時(shí)間點(diǎn)序號(hào)；紅外熱像儀，用于通過所述溫度場測量窗口測出所述熱聲核內(nèi)的溫度場分布隨時(shí) 間變化的過程；以及時(shí)空圖像映射疊加單元，用于將所述微尺度粒子成像測速儀測得的各采樣時(shí) 間點(diǎn)t。的流場分布，按照采樣時(shí)間點(diǎn)序號(hào)m —一等效變換為聲場的同一周期T內(nèi)的虛擬采 樣時(shí)間點(diǎn)t。'的流場分布，其中t。' =m/fs m = 0，l，2，...Iv1，從而獲得所述熱聲核內(nèi)的 流場分布隨時(shí)間變化的過程。進(jìn)一步地，所述紅外熱像儀的采樣時(shí)間點(diǎn)t。與微尺度粒子成像測速儀完全一致。進(jìn)一步地，所述熱聲過程測試系統(tǒng)還包括溫度場調(diào)制單元，用于在所述熱聲核兩 端生成所需的溫度場。進(jìn)一步地，所述溫度場調(diào)制單元包括熱源和冷源，分別設(shè)置在待測熱聲核的兩端； 所述聲場調(diào)制單元包括諧振管段A、諧振管段B以及聲源，所述諧振管段A、諧振管段B分別 與所述熱源和冷源連接。進(jìn)一步地，所述流場測量窗口的制作材料對所述微尺度粒子成像測速儀透明，并 且其抗壓能力至少達(dá)到IMPa，耐熱能力至少達(dá)到400°C。進(jìn)一步地，所述溫度場測量窗口的制作材料對所述紅外熱像儀透明，并且其抗壓 能力至少達(dá)到IMPa，耐熱能力至少達(dá)到400°C。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，溫度場測量窗口 的制作材料對波長為7. 5-13 μ m的光波透明。進(jìn)一步地，所述流場測量窗口的制作材料采用石英玻璃。進(jìn)一步地，所述溫度場測量窗口采用硫化鋅或硫化硒晶體利用化學(xué)氣相沉積方法 制成。
進(jìn)一步地，所述流場測量窗口和溫度場測量窗口的厚度t根據(jù)下述公式計(jì)算得 出t = (1. lXPXr2XSF/MR)0 5其中，P為測量窗口內(nèi)外壓力差，所述流場測量窗口為圓形，r為測量窗口半徑，SF 為安全系數(shù)，MR為破裂模數(shù)。通常安全系數(shù)SF設(shè)為4，壓力和破裂模數(shù)必須用同一單位，一 般是磅/平方英寸或帕斯卡。進(jìn)一步地，所述熱聲核和諧振管段A、B內(nèi)的氣體工質(zhì)可以是空氣，也可是氮?dú)狻⒑?氣、二氧化碳、氬氣、氫氣等天然工質(zhì)氣體中的任意一種或上述各種氣體的任意混合。進(jìn)一步地，所述微尺度粒子成像測速儀所使用的熒光粒子可以采用聚苯乙烯、鋁 粉和鎂粉，也可以采用Miodamine B(即羅丹明B)；進(jìn)一步地，所述聲源是單個(gè)或?qū)χ檬诫姶爬龋蛘呤菍χ檬骄€性壓縮機(jī)。本發(fā)明還提供了一種利用上述熱聲過程測試系統(tǒng)進(jìn)行熱聲測試的方法，包括下列 步驟1)在所述熱聲核兩端生成具有穩(wěn)定頻率、穩(wěn)定幅值和穩(wěn)定相角的聲場，在所述熱 聲核兩端生成所需的溫度場；2)利用微尺度粒子成像測速儀，通過所述流場測量窗口，在一系列的采樣時(shí)間點(diǎn) t。測出所述熱聲核內(nèi)的流場分布；所述采樣時(shí)間點(diǎn)tc = mT+m/fs m = 0，1，2，· · · Hn^1 ；其中， T是所述聲場調(diào)制單元所生成的聲場的周期，fs是預(yù)設(shè)的采樣頻率，m是采樣時(shí)間點(diǎn)序號(hào)；3)利用紅外熱像儀，通過所述溫度場測量窗口測出所述熱聲核內(nèi)的溫度場分布隨 時(shí)間變化的過程；4)將所述微尺度粒子成像測速儀測得的各采樣時(shí)間點(diǎn)t。的流場分布，按照采樣時(shí) 間點(diǎn)序號(hào)m—一等效變換為聲場的同一周期T內(nèi)的虛擬采樣時(shí)間點(diǎn)t。'的流場分布，其中 tc' = m/fs m = 0，1，2，. . . Iilri，從而獲得所述熱聲核內(nèi)的流場分布隨時(shí)間變化的過程；5)根據(jù)采樣時(shí)間點(diǎn)，得出流場分布變化與溫度場分布隨時(shí)間變化的對應(yīng)關(guān)系。具體地，所述步驟幻中針對熱聲核，采用MicroPIV粒子成像測速儀測量熱聲核的微通道內(nèi)的二維瞬時(shí)流場，公式如下；
權(quán)利要求
1.一種熱聲過程測試系統(tǒng)，包括聲場調(diào)制單元，連接在待測熱聲核兩端，用于在所述熱聲核兩端生成具有穩(wěn)定頻率、穩(wěn) 定幅值和穩(wěn)定相角的聲場；對稱地設(shè)在所述熱聲核的側(cè)壁上的流場測量窗口和溫度場測量窗口 ；微尺度粒子成像測速儀，用于通過所述流場測量窗口，在一系列的采樣時(shí)間點(diǎn)t。測出 所述熱聲核內(nèi)的流場分布；所述采樣時(shí)間點(diǎn)t。= mT+m/fs m = 0,1,2,... Hn^1 ；其中，T是所 述聲場調(diào)制單元所生成的聲場的周期，fs是預(yù)設(shè)的采樣頻率，m是采樣時(shí)間點(diǎn)序號(hào)；紅外熱像儀，用于通過所述溫度場測量窗口測出所述熱聲核內(nèi)的溫度場分布隨時(shí)間變 化的過程；以及時(shí)空圖像映射疊加單元，用于將所述微尺度粒子成像測速儀測得的各采樣時(shí)間點(diǎn) t。的流場分布，按照采樣時(shí)間點(diǎn)序號(hào)m—一等效變換為聲場的同一周期T內(nèi)的虛擬采樣時(shí) 間點(diǎn)的流場分布，其中= m/fs m = 0,1,2, . . . nn_l。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱聲過程測試系統(tǒng)，其特征在于，所述熱聲過程測試系統(tǒng)還 包括溫度場調(diào)制單元，用于在所述熱聲核兩端生成所需的溫度場。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱聲過程測試系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度場調(diào)制單元包括 熱源和冷源，分別設(shè)置在待測熱聲核的兩端；所述聲場調(diào)制單元包括諧振管段A、諧振管段 B以及聲源，所述諧振管段A、諧振管段B分別與所述熱源和冷源連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱聲過程測試系統(tǒng)，其特征在于，所述流場測量窗口的制作 材料對所述微尺度粒子成像測速儀透明，并且其抗壓能力至少達(dá)到IMPa，耐熱能力至少達(dá) 到 400"C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱聲過程測試系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度場測量窗口的制 作材料對所述紅外熱像儀透明，并且其抗壓能力至少達(dá)到IMPa，耐熱能力至少達(dá)到400°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱聲過程測試系統(tǒng)，其特征在于，所述流場測量窗口的制作 材料采用石英玻璃。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱聲過程測試系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度場測量窗口采用 硫化鋅或硫化硒晶體利用化學(xué)氣相沉積方法制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱聲過程測試系統(tǒng)，其特征在于，所述流場測量窗口和溫度 場測量窗口的厚度t根據(jù)下述公式計(jì)算得出t = (1. lXPXr2XSF/MR)0 5其中，P為測量窗口內(nèi)外壓力差，所述測量窗口為圓形，r為測量窗口半徑，SF為安全系 數(shù)，MR為破裂模數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱聲過程測試系統(tǒng)，其特征在于，所述聲源是單個(gè)或?qū)χ檬?電磁喇叭，或者是對置式線性壓縮機(jī)。
10.利用權(quán)利要求1所述的熱聲過程測試系統(tǒng)進(jìn)行熱聲過程測試的方法，包括下列步驟1)在所述熱聲核兩端生成具有穩(wěn)定頻率、穩(wěn)定幅值和穩(wěn)定相角的聲場，在所述熱聲核 兩端生成溫度場；2)利用微尺度粒子成像測速儀，通過所述流場測量窗口，在一系列的采樣時(shí)間點(diǎn)t。測 出所述熱聲核內(nèi)的流場分布；所述采樣時(shí)間點(diǎn)t。= mT+m/fs m = 0,1,2,... Hn^1 ；其中，T是所述聲場調(diào)制單元所生成的聲場的周期，fs是預(yù)設(shè)的采樣頻率，m是采樣時(shí)間點(diǎn)序號(hào)；3)利用紅外熱像儀，通過所述溫度場測量窗口測出所述熱聲核內(nèi)的溫度場分布隨時(shí)間 變化的過程；4)將所述微尺度粒子成像測速儀測得的各采樣時(shí)間點(diǎn)t。的流場分布，按照采樣時(shí)間點(diǎn) 序號(hào)m—一等效變換為聲場的同一周期T內(nèi)的虛擬采樣時(shí)間點(diǎn)t。'的流場分布，其中t。' =m/fs m = 0，1，2，. . . Iilri，從而獲得所述熱聲核內(nèi)的流場分布隨時(shí)間變化的過程；5)根據(jù)采樣時(shí)間點(diǎn)，得出流場分布變化與溫度場分布隨時(shí)間變化的對應(yīng)關(guān)系。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的進(jìn)行熱聲過程測試的方法，所述熱聲測試的方法還包括 在步驟1)和步驟2、之間，測出熱聲核兩端的諧振管段A、B內(nèi)的氣體工質(zhì)的聲壓分布的步 驟，該步驟包括下列子步驟10)分別測出熱聲核兩端的諧振管段A、B內(nèi)至少兩個(gè)采樣位置的氣體工質(zhì)的聲壓；11)通過宏觀聲場重構(gòu)得出諧振管段A、B內(nèi)的氣體工質(zhì)的聲壓分布。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的進(jìn)行熱聲過程測試的方法，所述熱聲測試的方法還包括步 驟6)根據(jù)諧振管段A、B內(nèi)的氣體工質(zhì)的聲壓分布以及步驟4)所測得的熱聲核內(nèi)的流場 分布，計(jì)算每個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)t。時(shí)的宏觀聲場分布，從而得出宏觀聲場分布變化與溫度場變 化的對應(yīng)關(guān)系；所述宏觀聲場分布包括諧振管段及熱聲核內(nèi)的氣體工質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)流速、體 積流率、聲阻抗、壓流相位差以及聲功分布。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種熱聲過程測試系統(tǒng)及其測試方法，測試系統(tǒng)包括聲場調(diào)制單元、流場測量窗口、溫度場測量窗口、微尺度粒子成像測速儀、紅外熱像儀以及時(shí)空圖像映射疊加單元。所述測試方法包括1)在熱聲核兩端生成溫度場和具有穩(wěn)定頻率、穩(wěn)定幅值和穩(wěn)定相角的聲場；2)在一系列的采樣時(shí)間點(diǎn)tc測出所述熱聲核內(nèi)的流場分布；3)測出所述熱聲核內(nèi)的溫度場分布隨時(shí)間變化的過程；4)各采樣時(shí)間點(diǎn)tc的流場分布，根據(jù)采樣時(shí)間點(diǎn)序號(hào)等效變換為聲場的同一周期T內(nèi)的虛擬采樣時(shí)間點(diǎn)tc′的流場分布；5)得出流場分布變化與溫度場分布隨時(shí)間變化的對應(yīng)關(guān)系。本發(fā)明能夠?qū)崧暫藘?nèi)部的溫度場和聲場進(jìn)行同步測量，其測量結(jié)果真實(shí)反映實(shí)際熱聲過程。
文檔編號(hào)G01P5/20GK102042846SQ200910235679
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月12日
發(fā)明者李正宇, 李青, 謝秀娟 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所