驻波热声发动机板叠温度分布的红外观察

　　1 引 言

　　热声发动机以无运动部件的方式将热能转化为机械能，具有结构简单、灵活性好、环境友好等优点。板叠作为驻波热声发动机的核心部件，对热声发动机的热功转化效率和起振特性具有重要影响，因此了解板叠中能量流动和分布对于理解热声振荡的机理具有重要意义。板叠中的能量流动包括声功流和热流，而热声板叠中的热流主要是通过其温度变化来体现。同时，板叠中温度场的测量结果可以用于验证理论模型，对理论模型的修正具有重要意义。

　　中国国内外热声研究者对热声回热器或板叠中的温度分布开展了大量研究。罗二仓等[1]根据线性热声理论的控制方程对回热器的温度分布进行计算，发现声直流会增大起振所需的温度梯度，改变回热器的温度分布，并降低回热器的效率。孙大明和邱利民等[2]根据基于等温条件的回热器焓流模型和回热器温度测量发现 Gedeon 直流会对回热器的轴向温度分布产生显著影响，使回热器轴向温度严重偏离线性分布。Piccolo 等[3]以经典线性热声理论为基础，对低马赫数下的绝热热声板叠间隙的温度场进行了计算，发现板叠冷端存在较明显的热边界层，而板叠热端则几乎不存在热边界层。邱利民等[4]发现通过在回热器中部增加一个加热器来改变回热器的轴向温度分布可显著提高热声发动机的性能。

　　传统方法一般采用热电偶或其它温度传感器进行热声发动机板叠或回热器中的温度测量[5-8]。这种测量方法可以实现对若干离散点温度的精确测量，但却无法完整地将热声板叠中的温度场呈现出来，更无法直观地揭示板叠中的能量流动和分布。2009 年，浙江大学的王波和邱利民等首次采用红外热像仪对斯特林型热声发动机的回热器进行了观测，研究了起消振过程中回热器温度分布的变化规律[9]。这种测量方法可同时呈现出整个回热器的温度场，为热声回热器温度的测量提供了新选择。

　　本文采用红外热像仪对自行搭建的一台驻波热声发动机的板叠进行温度观测，重点放在起消振过程中板叠的径向温度分布和轴向温度分布的变化规律分析。本文中的温度场观测结果可用于验证计算流体力学( CFD) 的计算结果，对于模型的改进具有一定的指导意义。

　　2 实验装置

　　自行设计搭建的驻波热声发动机主要由热腔、高温端换热器、板叠、室温端换热器、谐振管和气库等6 个部件组成，如图1 所示，主要部件的尺寸如表1 所示。

　　实验中采用的红外热像仪，可测温度范围为- 40—1 500 ℃ ，可辨温差小于0. 06 ℃ ，其最小的图像保存时间间隔为10秒，可以及时地反映系统的温度变化。王波等对该红外热像仪的精度进行校核，证明其精度能满足热声实验的要求[9]。除了在板叠处进行红外成像测量温度之外，还在高温端换热器处布置了一个镍铬-镍硅热电偶来测量热声发动机的加热温度，其最大的测量误差为 ±3. 5 ℃。在室温端换热器与谐振管连接处布置了一个线性硅压电式压力传感器来测量热声发动机中的压力，其最大的误差为 ±643 Pa。所测得的温度和压力数据通过数据采集系统由 LabVIEW 程序保存在计算机中。