專利名稱：熱聲過程測試系統(tǒng)及其測試方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及熱力學、流體力學和聲學技術(shù)領域，具體地說，本發(fā)明涉及一種用于熱 聲熱機的熱聲學測試系統(tǒng)和測試方法。
背景技術(shù)：
熱聲熱機是一種新型高效熱機，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微循環(huán)，直接實現(xiàn)熱能到聲能(機械能)的相 互轉(zhuǎn)換。整個熱機系統(tǒng)內(nèi)僅僅是氣體工質(zhì)自身的振蕩，沒有任何運動部件，系統(tǒng)簡單，無運 動部件，原理上無壽命的限制，熱聲熱機帶來了熱機的革命，熱聲學是熱學與聲學交叉，需 要發(fā)展新的理論，具有十分重要的科學意義和廣泛的應用前景。由Rott、Swift等研究學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。熱聲熱機經(jīng)歷了駐波型、行波型以及行駐波級聯(lián)型機型的發(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)，導致熱聲的研 究工作很不深入，實驗結(jié)果與理論計算偏差大，進而限制了熱聲熱機工程化進程。對于熱聲 轉(zhuǎn)換過程的分析與實驗已經(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，已經(jīng)遠遠偏離熱聲 過程處于大振幅的工作狀態(tài)，因此，熱聲熱機的發(fā)展需要測量熱聲元件微通道內(nèi)的熱聲過 程，從而對熱聲熱機理論發(fā)展，以及實際評價熱聲熱機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相 鄰壓力傳感器聲壓計算得到中點質(zhì)點速度，以及用熱電偶測量回熱器內(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。熱聲核是熱聲熱機中實現(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中稱為回熱器，在駐波型熱 聲熱機中稱為板疊。典型的熱聲核運行工況是依靠冷、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，其測點也將大大地 影響正常的流道，導致測得的結(jié)果偏離實際情況，沒有實際意義。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)點速度，如激光多普勒測速儀、熱線風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)基礎上發(fā)展了一種對微通道流動進行全場檢測的實驗 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 學測量手段的局限性，可以實現(xiàn)微尺度流動元件全流場的流動測量，并且達到相當高的分 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 量低速定向流動的液體工質(zhì)。而熱聲熱機采用的是氮氣、氦氣等氣體工質(zhì)，并且這些氣體工質(zhì)工作在交變的波動狀態(tài)中，液體流場的測量技術(shù)不能反應熱聲熱機內(nèi)氣體微團的瞬時變 化。更為關(guān)鍵的是，同一個熱聲核在不同的聲場中可實現(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)果也無法真實反映實際熱聲過程。

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的熱聲核內(nèi)部的溫度場和聲場進行同 步測量的熱聲過程的測試系統(tǒng)和測試方法。為實現(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 采樣時間點t。測出所述熱聲核內(nèi)的流場分布；所述采樣時間點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是預設的采樣頻率，m是采 樣時間點序號；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 間變化的過程；以及時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 間點t。的流場分布，按照采樣時間點序號m —一等效變換為聲場的同一周期T內(nèi)的虛擬采 樣時間點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 流場分布隨時間變化的過程。進一步地，所述紅外熱像儀的采樣時間點t。與微尺度粒子成像測速儀完全一致。進一步地，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。進一步地，所述溫度場調(diào)制單元包括熱源和冷源，分別設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到IMPa，耐熱能力至少達到400°C。進一步地，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 能力至少達到IMPa，耐熱能力至少達到400°C。在本發(fā)明的一個實施例中，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。進一步地，所述流場測量窗口的制作材料采用石英玻璃。進一步地，所述溫度場測量窗口采用硫化鋅或硫化硒晶體利用化學氣相沉積方法 制成。
進一步地，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，也可是氮氣、氦 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)；進一步地，所述聲源是單個或?qū)χ檬诫姶爬?，或者是對置式線性壓縮機。本發(fā)明還提供了一種利用上述熱聲過程測試系統(tǒng)進行熱聲測試的方法，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，在一系列的采樣時間點 t。測出所述熱聲核內(nèi)的流場分布；所述采樣時間點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是預設的采樣頻率，m是采樣時間點序號；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間點t。的流場分布，按照采樣時 間點序號m—一等效變換為聲場的同一周期T內(nèi)的虛擬采樣時間點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)的流場分布隨時間變化的過程；5)根據(jù)采樣時間點，得出流場分布變化與溫度場分布隨時間變化的對應關(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，在一系列的采樣時間點t。測出 所述熱聲核內(nèi)的流場分布；所述采樣時間點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是預設的采樣頻率，m是采樣時間點序號；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)的溫度場分布隨時間變 化的過程；以及時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間點 t。的流場分布，按照采樣時間點序號m—一等效變換為聲場的同一周期T內(nèi)的虛擬采樣時 間點的流場分布，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到IMPa，耐熱能力至少達 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到IMPa，耐熱能力至少達到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，所述聲源是單個或?qū)χ檬?電磁喇叭，或者是對置式線性壓縮機。
10.利用權(quán)利要求1所述的熱聲過程測試系統(tǒng)進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，在一系列的采樣時間點t。測 出所述熱聲核內(nèi)的流場分布；所述采樣時間點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是預設的采樣頻率，m是采樣時間點序號；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間點t。的流場分布，按照采樣時間點 序號m—一等效變換為聲場的同一周期T內(nèi)的虛擬采樣時間點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)的流場分布隨時間變化的過程；5)根據(jù)采樣時間點，得出流場分布變化與溫度場分布隨時間變化的對應關(guān)系。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的進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，計算每個采樣時間點t。時的宏觀聲場分布，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)在一系列的采樣時間點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)的溫度場分布隨時間變化的過程；4)各采樣時間點tc的流場分布，根據(jù)采樣時間點序號等效變換為聲場的同一周期T內(nèi)的虛擬采樣時間點tc′的流場分布；5)得出流場分布變化與溫度場分布隨時間變化的對應關(guān)系。本發(fā)明能夠?qū)崧暫藘?nèi)部的溫度場和聲場進行同步測量，其測量結(jié)果真實反映實際熱聲過程。
文檔編號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:中國科學院理化技術(shù)研究所