专利名称：热声过程测试系统及其测试方法
技术领域：
本发明涉及热力学、流体力学和声学技术领域，具体地说，本发明涉及一种用于热 声热机的热声学测试系统和测试方法。
背景技术：
热声热机是一种新型高效热机，它利用物理中的热声现象，使工作气体在热声元 件的微结构通道内完成介观层面上的热力学微循环，直接实现热能到声能(机械能)的相 互转换。整个热机系统内仅仅是气体工质自身的振荡，没有任何运动部件，系统简单，无运 动部件，原理上无寿命的限制，热声热机带来了热机的革命，热声学是热学与声学交叉，需 要发展新的理论，具有十分重要的科学意义和广泛的应用前景。由Rott、Swift等研究学者建立的线性热声理论，为热声系统研究和工程发展提 供了有力的工具。热声热机经历了驻波型、行波型以及行驻波级联型机型的发展过程，功率 密度和热效率等性能得到很好的提升，可以和传统的热机相媲美。但是，由于现有技术中缺乏合适的热声测量方法和热声测试系统，导致热声的研 究工作很不深入，实验结果与理论计算偏差大，进而限制了热声热机工程化进程。对于热声 转换过程的分析与实验已经充分表明，热声过程是发生在工作气体与热声元件的微通道中 的微热力学循环，而目前的线性热声理论仅仅依据小振幅声波的假设，已经远远偏离热声 过程处于大振幅的工作状态，因此，热声热机的发展需要测量热声元件微通道内的热声过 程，从而对热声热机理论发展，以及实际评价热声热机中的核心热声元件起到不可或缺的 支持作用。目前的热声热机技术中，其测量手段通常有测量截面声压然后通过测量两个相 邻压力传感器声压计算得到中点质点速度，以及用热电偶测量回热器内沿波传播方向的温 度等。这些测量手段显然无法满足热声研究的需要。热声核是热声热机中实现热量(声 音)到声音(热量)转化的核心部件，该部件在行波型热声热机中称为回热器，在驻波型热 声热机中称为板叠。典型的热声核运行工况是依靠冷、热端换热器的作用建立起可观的温 度梯度，热声核渗透层深度内的气体作为第一工质，热声核微通道的固体作为第二工质，第 一工质和第二工质相互作用发生热声转换。由于热声核的内部工作气体的流道在亚毫米之 下，因此，难以布置测压、测流速和测温的测量器件。即使布置了传感器，其测点也将大大地 影响正常的流道，导致测得的结果偏离实际情况，没有实际意义。随着新仪器的产生，一些新的测量流速的仪器可以较好地测量管内大空间的气体 工质质点速度，如激光多普勒测速仪、热线风速仪和粒子成像测速仪(PIV)。近年来，国际 上在传统的粒子成像测速仪(PIV)基础上发展了一种对微通道流动进行全场检测的实验 方法，即微尺度粒子成像测速技术(MicroPIV技术)。MicroPIV突破了传统微尺度流体力 学测量手段的局限性，可以实现微尺度流动元件全流场的流动测量，并且达到相当高的分 辨率和测量精度。然而，现有技术中，由于示踪技术的限制，现有技术的MicroPIV只用于测 量低速定向流动的液体工质。而热声热机采用的是氮气、氦气等气体工质，并且这些气体工质工作在交变的波动状态中，液体流场的测量技术不能反应热声热机内气体微团的瞬时变 化。更为关键的是，同一个热声核在不同的声场中可实现不同的热力循环，而现有技 术无法对温度场和声场进行同步测量，因此不能体现热声过程中温度场和声场的相互耦合 作用，其测量结果也无法真实反映实际热声过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够对热声热机的热声核内部的温度场和声场进行同 步测量的热声过程的测试系统和测试方法。为实现上述发明目的，本发明提供了一种热声过程测试系统，包括声场调制单元，连接在待测热声核两端，用于在所述热声核两端生成具有稳定频 率、稳定幅值和稳定相角的声场；流场测量窗口 ；温度场测量窗口，所述流场测量窗口和温度场测量窗口对称地设在所述热声核的 侧壁上；微尺度粒子成像测速仪(MicroPIV)，用于通过所述流场测量窗口，在一系列的 采样时间点t。测出所述热声核内的流场分布；所述采样时间点t。= mT+m/fs m = 0，1， 2，. . . Iv1 ；其中，T是所述声场调制单元所生成的声场的周期，fs是预设的采样频率，m是采 样时间点序号；红外热像仪，用于通过所述温度场测量窗口测出所述热声核内的温度场分布随时 间变化的过程；以及时空图像映射叠加单元，用于将所述微尺度粒子成像测速仪测得的各采样时 间点t。的流场分布，按照采样时间点序号m —一等效变换为声场的同一周期T内的虚拟采 样时间点t。'的流场分布，其中t。' =m/fs m = 0，l，2，...Iv1，从而获得所述热声核内的 流场分布随时间变化的过程。进一步地，所述红外热像仪的采样时间点t。与微尺度粒子成像测速仪完全一致。进一步地，所述热声过程测试系统还包括温度场调制单元，用于在所述热声核两 端生成所需的温度场。进一步地，所述温度场调制单元包括热源和冷源，分别设置在待测热声核的两端； 所述声场调制单元包括谐振管段A、谐振管段B以及声源，所述谐振管段A、谐振管段B分别 与所述热源和冷源连接。进一步地，所述流场测量窗口的制作材料对所述微尺度粒子成像测速仪透明，并 且其抗压能力至少达到IMPa，耐热能力至少达到400°C。进一步地，所述温度场测量窗口的制作材料对所述红外热像仪透明，并且其抗压 能力至少达到IMPa，耐热能力至少达到400°C。在本发明的一个实施例中，温度场测量窗口 的制作材料对波长为7. 5-13 μ m的光波透明。进一步地，所述流场测量窗口的制作材料采用石英玻璃。进一步地，所述温度场测量窗口采用硫化锌或硫化硒晶体利用化学气相沉积方法 制成。
进一步地，所述流场测量窗口和温度场测量窗口的厚度t根据下述公式计算得 出t = (1. lXPXr2XSF/MR)0 5其中，P为测量窗口内外压力差，所述流场测量窗口为圆形，r为测量窗口半径，SF 为安全系数，MR为破裂模数。通常安全系数SF设为4，压力和破裂模数必须用同一单位，一 般是磅/平方英寸或帕斯卡。进一步地，所述热声核和谐振管段A、B内的气体工质可以是空气，也可是氮气、氦 气、二氧化碳、氩气、氢气等天然工质气体中的任意一种或上述各种气体的任意混合。进一步地，所述微尺度粒子成像测速仪所使用的荧光粒子可以采用聚苯乙烯、铝 粉和镁粉，也可以采用Miodamine B(即罗丹明B)；进一步地，所述声源是单个或对置式电磁喇叭，或者是对置式线性压缩机。本发明还提供了一种利用上述热声过程测试系统进行热声测试的方法，包括下列 步骤1)在所述热声核两端生成具有稳定频率、稳定幅值和稳定相角的声场，在所述热 声核两端生成所需的温度场；2)利用微尺度粒子成像测速仪，通过所述流场测量窗口，在一系列的采样时间点 t。测出所述热声核内的流场分布；所述采样时间点tc = mT+m/fs m = 0，1，2，· · · Hn^1 ；其中， T是所述声场调制单元所生成的声场的周期，fs是预设的采样频率，m是采样时间点序号；3)利用红外热像仪，通过所述温度场测量窗口测出所述热声核内的温度场分布随 时间变化的过程；4)将所述微尺度粒子成像测速仪测得的各采样时间点t。的流场分布，按照采样时 间点序号m—一等效变换为声场的同一周期T内的虚拟采样时间点t。'的流场分布，其中 tc' = m/fs m = 0，1，2，. . . Iilri，从而获得所述热声核内的流场分布随时间变化的过程；5)根据采样时间点，得出流场分布变化与温度场分布随时间变化的对应关系。具体地，所述步骤幻中针对热声核，采用MicroPIV粒子成像测速仪测量热声核的微通道内的二维瞬时流场，公式如下；
权利要求
1.一种热声过程测试系统，包括声场调制单元，连接在待测热声核两端，用于在所述热声核两端生成具有稳定频率、稳 定幅值和稳定相角的声场；对称地设在所述热声核的侧壁上的流场测量窗口和温度场测量窗口 ；微尺度粒子成像测速仪，用于通过所述流场测量窗口，在一系列的采样时间点t。测出 所述热声核内的流场分布；所述采样时间点t。= mT+m/fs m = 0,1,2,... Hn^1 ；其中，T是所 述声场调制单元所生成的声场的周期，fs是预设的采样频率，m是采样时间点序号；红外热像仪，用于通过所述温度场测量窗口测出所述热声核内的温度场分布随时间变 化的过程；以及时空图像映射叠加单元，用于将所述微尺度粒子成像测速仪测得的各采样时间点 t。的流场分布，按照采样时间点序号m—一等效变换为声场的同一周期T内的虚拟采样时 间点的流场分布，其中= m/fs m = 0,1,2, . . . nn_l。
2.根据权利要求1所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述热声过程测试系统还 包括温度场调制单元，用于在所述热声核两端生成所需的温度场。
3.根据权利要求2所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述温度场调制单元包括 热源和冷源，分别设置在待测热声核的两端；所述声场调制单元包括谐振管段A、谐振管段 B以及声源，所述谐振管段A、谐振管段B分别与所述热源和冷源连接。
4.根据权利要求1所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述流场测量窗口的制作 材料对所述微尺度粒子成像测速仪透明，并且其抗压能力至少达到IMPa，耐热能力至少达 到 400"C。
5.根据权利要求1所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述温度场测量窗口的制 作材料对所述红外热像仪透明，并且其抗压能力至少达到IMPa，耐热能力至少达到400°C。
6.根据权利要求4所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述流场测量窗口的制作 材料采用石英玻璃。
7.根据权利要求5所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述温度场测量窗口采用 硫化锌或硫化硒晶体利用化学气相沉积方法制成。
8.根据权利要求1所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述流场测量窗口和温度 场测量窗口的厚度t根据下述公式计算得出t = (1. lXPXr2XSF/MR)0 5其中，P为测量窗口内外压力差，所述测量窗口为圆形，r为测量窗口半径，SF为安全系 数，MR为破裂模数。
9.根据权利要求3所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述声源是单个或对置式 电磁喇叭，或者是对置式线性压缩机。
10.利用权利要求1所述的热声过程测试系统进行热声过程测试的方法，包括下列步骤1)在所述热声核两端生成具有稳定频率、稳定幅值和稳定相角的声场，在所述热声核 两端生成温度场；2)利用微尺度粒子成像测速仪，通过所述流场测量窗口，在一系列的采样时间点t。测 出所述热声核内的流场分布；所述采样时间点t。= mT+m/fs m = 0,1,2,... Hn^1 ；其中，T是所述声场调制单元所生成的声场的周期，fs是预设的采样频率，m是采样时间点序号；3)利用红外热像仪，通过所述温度场测量窗口测出所述热声核内的温度场分布随时间 变化的过程；4)将所述微尺度粒子成像测速仪测得的各采样时间点t。的流场分布，按照采样时间点 序号m—一等效变换为声场的同一周期T内的虚拟采样时间点t。'的流场分布，其中t。' =m/fs m = 0，1，2，. . . Iilri，从而获得所述热声核内的流场分布随时间变化的过程；5)根据采样时间点，得出流场分布变化与温度场分布随时间变化的对应关系。
11.根据权利要求10所述的进行热声过程测试的方法，所述热声测试的方法还包括 在步骤1)和步骤2、之间，测出热声核两端的谐振管段A、B内的气体工质的声压分布的步 骤，该步骤包括下列子步骤10)分别测出热声核两端的谐振管段A、B内至少两个采样位置的气体工质的声压；11)通过宏观声场重构得出谐振管段A、B内的气体工质的声压分布。
12.根据权利要求11所述的进行热声过程测试的方法，所述热声测试的方法还包括步 骤6)根据谐振管段A、B内的气体工质的声压分布以及步骤4)所测得的热声核内的流场 分布，计算每个采样时间点t。时的宏观声场分布，从而得出宏观声场分布变化与温度场变 化的对应关系；所述宏观声场分布包括谐振管段及热声核内的气体工质的质点流速、体 积流率、声阻抗、压流相位差以及声功分布。
全文摘要
本发明提供了一种热声过程测试系统及其测试方法，测试系统包括声场调制单元、流场测量窗口、温度场测量窗口、微尺度粒子成像测速仪、红外热像仪以及时空图像映射叠加单元。所述测试方法包括1)在热声核两端生成温度场和具有稳定频率、稳定幅值和稳定相角的声场；2)在一系列的采样时间点tc测出所述热声核内的流场分布；3)测出所述热声核内的温度场分布随时间变化的过程；4)各采样时间点tc的流场分布，根据采样时间点序号等效变换为声场的同一周期T内的虚拟采样时间点tc′的流场分布；5)得出流场分布变化与温度场分布随时间变化的对应关系。本发明能够对热声核内部的温度场和声场进行同步测量，其测量结果真实反映实际热声过程。
文档编号G01P5/20GK102042846SQ200910235679
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月12日 优先权日2009年10月12日
发明者李正宇, 李青, 谢秀娟 申请人:中国科学院理化技术研究所