CN114112471B - 一种用于气波振荡管性能测试的非接触式诊断平台 - Google Patents
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Abstract
一种用于气波振荡管性能测试的非接触式诊断平台，其属于实验测试技术领域。该平台包括基础支架、可视气波振荡管及其支撑结构、周期性高压入射与背压入射单元、非接触式诊断系统和同步控制与数据采集系统，能够定量获得管内波系运动与能量转换特性。本发明的优势在于将端部周期性入射单元和气波振荡管本体解耦，无论气波振荡管本身类型、长度、流通面积如何，都能适配于端部结构，并将气波振荡管暴露于气波制冷机外，并利用压力传感器、纹影法、PIV和TDLAS实现气波振荡管压力场、密度场、速度场、组份场和温度场的可视化定量测量。
Description
技术领域
本发明属于实验测试技术领域，涉及到一种气波制冷装备，属于依靠气体波动效应而实现冷热分离的特种技术和装备。
背景技术
气波制冷是一种利用在振荡管内发生的气体波动效应实现流体冷热分离和能量转换的先进技术，其中涉及到气波振荡管内激波、膨胀波、接触面等复杂波系运动，并同时伴有压力、温度、密度、相态等显著变化，不破坏气波振荡管内正常流动并以可视化形式了解掌握波系运动特征，对于完善气波基础理论、提高气波装备制冷效率具有重要意义。
气波制冷装备由于在一定压力下工作，常规均为封闭结构，无法开展可视化实验研究。专利“一种单管式气波制冷器及其制冷方法（CN818510A）”首次提出了旋转式气波制冷机的单管实验平台，主要针对单端封闭形式气波振荡管，无法进行双开口形式气波振荡管的实验。专利“一种多功能两端开口压力振荡管测试平台（CN107014583A）”设计了兼顾管间影响、管径管长可调、管型可变及可用于天然气介质的两端开孔压力振荡管测试平台，但还不能以可视化方式呈现气波振荡管内波系的运动形态；“一种双开口多管束制冷机非稳态导热测试平台（CN107917928A）”着重于沿气波振荡管压力和壁面温度的监测，但不具备气波振荡管内可视化测量能力。上述专利均需构建气波制冷机整机样机，结构复杂；在实现可调整结构时均需要反复拆装，测试工作较为繁琐复杂。“一种气波管内波系运动特征的检测方法和系统”（CN 112986381 A）以声发射技术为基础，模拟单端开口气波振荡管进行压力与声场信号采集，但装置只能进行单向气体流动，准确的说还不是工业实践用气波振荡管，不能实现膨胀波和冷介质的输出。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提供一种用于气波振荡管性能测试的非接触式诊断平台，整体实验台架包括基础支架、可视气波振荡管及其支撑结构、周期性高压入射单元、背压入射单元、配用管路阀门、气源系统、非接触式诊断系统和同步控制与数据采集系统，同步测量并记录气波振荡管内波系运动情况；同时具备压力、密度、温度和组份联合测试能力。
本发明采用的技术方案为：一种用于气波振荡管性能测试的非接触式诊断平台，气波振荡管的一端设置高压入射单元，高压入射单元中高压电机轴通过高压连接键与高压转接套连接，高压转接套固定设置在高压入射转盘中，高压入射转盘和高压端盖均与轴承配合，高压端盖上设置高压入射喷嘴；气波振荡管一端与高压盖板固定连接，高压端盖和高压盖板通过高压环向套用螺栓连接；高压入射转盘与高压端盖和气波振荡管一端之间留有间隙，高压入射转盘中设有进行动平衡匹配的高压配重块；
气波振荡管的另一端设置背压入射单元，背压入射单元中背压电机轴通过背压连接键与背压转接套连接，背压转接套固定设置在背压入射转盘中，背压入射转盘和背压端盖均与背压轴承配合，背压端盖上设置背压入射喷嘴；气波振荡管另一端与背压盖板固定连接，背压端盖和背压盖板通过背压环向套用螺栓连接；背压入射转盘与背压端盖和气波振荡管之间留有间隙，背压入射转盘中设有进行动平衡匹配的背压配重块。
高压入射单元的入射转盘和背压入射单元的入射转盘可以一样也可以独立设计，以满足气波振荡管实验需要。所述高压入射单元中入射转盘与背压入射单元中入射转盘的转速采用独立调节或同步并行调节。
所述非接触式诊断系统包括纹影系统、TDLAS系统和PIV系统，纹影系统、TDLAS系统、PIV系统和控制与数据采集单元进行电连接。
所述纹影系统采用光源发出的光，通过反射镜M1反射后垂直经过气波振荡管，再由反射镜M2反射，由垂直于气波振荡管流场密度梯度的刀口切去一半，最终投入高速摄像机的成像系统中；
所述PIV系统中采用Nd:YAG激光器为PIV光源，激光以片光源或体光源方式覆盖气波振荡管，示踪粒子发生器置于气波振荡管的一端，采用微米级烟雾颗粒作为示踪粒子，将粒子运动通过PIV相机记录；
所述TDLAS系统采用TDLAS激光控制器控制激光准直器组发射激光，激光穿过气波振荡管后由激光接收器组接收。
所述气波振荡管采用圆形或矩形截面形状，至少保证光源能够从一个方向沿轴向穿越气波振荡管截面，所述光源包括TDLAS激光光源、纹影光源。
所述气波振荡管在顶部开有数个引管，引管连接用于监测波系运动过程中压力信号的高频压力传感器或温度脉动信号的温度传感器。
本技术方案将端部周期性入射结构与密封结构和气波振荡管本体解耦，无论气波振荡管本身类型、长度、流通面积如何，都能适配于端部实验条件，并将气波振荡管暴露于气波制冷机外，具备了进行可视化测量诊断的条件。
本技术方案中包括一种纹影成像系统，利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度的原理，将流场中密度梯度的变化转变为记录平面上相对光强的变化，使气波振荡管中的激波、压缩波等密度变化剧烈的区域成为可观察、可分辨的图像纹影。采用反射型方案，气波振荡管实验中，光源S发出的光，通过M1反射后经过流场区域，再经过M2反射，由垂直于流场密度梯度的刀口切去一半，最终投入成像系统（高速摄像机）中，即可捕捉到不同气流密度的流体。通过自编程算法和长焦标定透镜，将高速摄影记录的感光强度值转变为被测流场的定量密度梯度和定量密度值。
本技术方案中还包括一种粒子成像测速系统（Particle Imaging Velocimetry，PIV），采用Nd:YAG激光器，光源波长532nm，激光以片光源或体光源方式覆盖被测流场，受到气波振荡管操作工况的限制，选用微米级烟雾颗粒作为示踪粒子，将粒子运动通过一台或多台相机记录，再经过数字图像后处理，获得平面流场或空间流场形态。
本技术方案中还包括一种可调谐半导体激光吸收光谱系统（Tunable DiodeLaser Absorption Spectroscopy，TDLAS），通过对特定物质的吸收峰实现对物质组份浓度的定量测量，并进一步获得定量温度。
本技术方案中还包括整体台架的控制系统，主要功能包括：①系统各组成部件的自动控制，包括驱动电机启停、转速调节等；②非接触式多个测控系统的整体时序控制，包括数据采集系统、压力传感器、温度传感器、高速摄影、纹影系统、PIV系统和TDLAS系统的同步。
本发明的有益效果为：
1.本发明将气波振荡管本体与端部周期性入射结构与密封结构解耦，不需要构造气波制冷机整机就能够实现气波振荡管内流动过程和热力学过程，极大地简化了实验设施，相对于传统气波振荡管试验台，更有利于快速开展多条件工况下的实验研究工作。
2.本发明剥离了气波制冷机外壳体，将气波振荡管暴露于气波制冷机整机之外，实现了对流动参数和热力学参数的全可视化测量，与背景专利技术主要测量压力、温度（壁面温度）及声波相比，本发明极大地拓展了测试参数和测试能力：①测试范围扩展到气波振荡管内密度、温度、组份和速度参数；②从单点测量扩展到二维场测量。
3.气波振荡管两端的入射与密封单元，能够根据实验工况进行快速调整，从而适应不同气波振荡管管型、管长、入射频率、入射角度等结构参数。
4.以上研究内容均可在一台设备上进行，只需对少量部件进行调整，有效降低研究成本，缩短研究周期。
附图说明
图1是气波振荡管端部入射与密封结构。
图2是具备非接触式测试能力的气波振荡管实验台示意图。
图3是纹影系统简图。
图4是PIV系统简图。
图5是TDLAS系统简图。
图中：1、高压电机轴，1a、背压电机轴，2、高压连接键，2a、背压连接键，3、高压转接套，3a、背压连接套，4、高压入射转盘，4a、高压入射转盘通道，4b、背压入射转盘，4c、背压入射转盘通道，5、高压轴承，5a、背压轴承，6、高压端盖，6a、背压端盖，7、高压入射喷嘴，7a、背压入射喷嘴，8、高压环向套，8a、背压环向套，9、高压配重块，9a、背压配重块，10、气波振荡管，11、高压盖板，11a、背压盖板，12、高压入射单元，12a、背压入射单元，13、纹影系统，14、TDLAS系统，15、PIV激光平面，16、控制与数据采集单元，17、PIV相机，18、纹影光源，18a、反射镜M1，18b、反射镜M2，18c、刀口，19、高速摄像机，19a、TDLAS激光控制器，19b、激光准直器组，19c、激光接收器组，20、PIV光源，20a、示踪粒子发生器。
具体实施方案
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。具体实施方案如下：
图1到图5示出了一种用于气波振荡管性能测试的非接触式诊断平台，整体实验台架包括基础支架、可视气波振荡管及其支撑结构、周期性高压入射单元、背压入射单元、配用管路阀门、气源系统、非接触式诊断系统和同步控制与数据采集系统，同步测量并记录气波振荡管内波系运动情况。
1.构建全可视化气波振荡管，将光源透射平面设为光学玻璃材质，保证各非接触诊断系统所需透射率，减少散射与折射。
2.安装气波振荡管和两端的高压入射和背压入射单元，背压入射单元采取与高压入射单元相同装配方式，如附图1所示。电机轴1通过键连接2将扭矩传递给转接套3，转接套3通过装配关系带动入射转盘4，入射转盘4和端盖6通过轴承5实现配合，开展实验时，轴承5内环随转盘转动，外环及与之配合的端盖6保持静止。更进一步的，气波振荡管10与盖板11配合，在连接处可以通过O型圈实现密封。端盖6和盖板11通过环向套8和螺栓实现连接，必要时，可通过加装垫片实现密封。入射转盘4与端盖6和气波振荡管10之间的间隙可手动或利用定距塞尺进行调节。入射转盘6需要加装配重块9进行动平衡匹配。其中，入射转盘也可设计为可拆分结构，基础盘和通流模块采用滑移定位，用于调整入射角度和前后两端的偏转角。高压入射单元12中采用端盖6上设置高压入射喷嘴7，背压入射单元12a中采用端盖6上设置背压入射喷嘴7a。
3.进行非接触式诊断技术调试：
① 在气波振荡管顶部安装高速压力传感器；
② 调试纹影刀口，进行纹影光强标定；
③ 调试PIV激光器，进行流场空间映射标定；
④ 调试TDLAS系统，进行吸收峰标定。
⑤ 调试总控制系统，保证各诊断系统工作正常、时序正确。
4.分别接通高压和低压气源，调试变频器保证电机转速可调。
5.启动电机，按照设定转速工作。电机轴1通过键连接2将扭矩传递给转接套3，转接套3通过装配关系带动入射转盘4，开展实验时，轴承5内环随转盘转动，入射转盘通道4a将高压入射喷嘴与气波振荡管10接通，当完成高压入射过程后，气波振荡管接通右侧入射盘高温气体出口实现排气过程。此时左侧入射喷嘴继续封闭，形成膨胀波温度下降。当右端中压喷嘴与气波振荡管接通时，中压气体射入压力振荡管并推动膨胀后的低温气体从低温排气腔排出。中压气体再次变成管内原有气体参与到下一个工作周期。
6. 在上述过程中，气波振荡管内存在复杂的波系运动，其中：由压力传感器测定管内压力脉动；由纹影仪测定密度场；由PIV测定速度场；由TDLAS测定组分和温度。PIV和纹影成像分别由高速相机记录，并进行数字图像处理。压力传感器和TDLAS结果由数据采集卡直接记录并处理。
7. 联合上述非接触测量手段，能够实现周期性射流条件下，对管内波系运动的可视化测量与诊断。
Claims (4)
1.一种用于气波振荡管性能测试的非接触式诊断平台，其特征在于：平台包括基础支架、可视气波振荡管及其支撑结构、周期性高压入射单元与背压入射单元、配用管路阀门、气源系统、非接触式诊断系统和同步控制与数据采集系统，同步测量并记录气波振荡管内波系运动情况；
气波振荡管（10）的一端设置高压入射单元，高压入射单元中高压电机轴（1）通过高压连接键（2）与高压转接套（3）连接，高压转接套（3）固定设置在高压入射转盘（4）中，高压入射转盘（4）和高压端盖（6）均与轴承（5）配合，高压端盖（6）上设置高压入射喷嘴（7）；气波振荡管（10）一端与高压盖板（11）固定连接，高压端盖（6）和高压盖板（11）通过高压环向套（8）用螺栓连接；高压入射转盘（4）与高压端盖（6）和气波振荡管（10）一端之间留有间隙，高压入射转盘（4）中设有进行动平衡匹配的高压配重块（9）；
气波振荡管（10）的另一端设置背压入射单元，背压入射单元中背压电机轴（1a）通过背压连接键（2a）与背压转接套（3a）连接，背压转接套（3a）固定设置在背压入射转盘（4b）中，背压入射转盘（4b）和背压端盖（6a）均与背压轴承（5a）配合，背压端盖（6a）上设置背压入射喷嘴（7a）；气波振荡管（10）另一端与背压盖板（11a）固定连接，背压端盖（6a）和背压盖板（11a）通过背压环向套（8a）用螺栓连接；背压入射转盘（4b）与背压端盖（6a）和气波振荡管（10）之间留有间隙，背压入射转盘（4b）中设有进行动平衡匹配的背压配重块（9a）；
高压入射转盘（4）与高压端盖（6）和气波振荡管（10）之间的间隙手动或利用定距塞尺进行调节；背压入射转盘（4b）与背压端盖（6a）和气波振荡管（10）之间的间隙手动或利用定距塞尺进行调节；
所述高压入射喷嘴（7）和所述背压入射喷嘴（7a）均与气波振荡管（10）同轴，所述高压入射转盘（4）设置于高压入射喷嘴与气波振荡管（10）之间，背压入射转盘（4b）设置与背压入射喷嘴与气波振荡管（10）之间；所述高压入射转盘（4）上设置有高压入射转盘通道（4a），背压入射转盘（4b）上设置有背压入射转盘通道（4c），所述高压入射转盘通道（4a）连通所述高压入射喷嘴与气波振荡管（10），背压入射转盘通道（4c）连通所述背压入射喷嘴与气波振荡管（10）；
所述非接触式诊断系统包括纹影系统（13）、TDLAS系统（14）和PIV系统，纹影系统（13）、TDLAS系统（14）、PIV系统和控制与数据采集单元（16）进行电连接；
所述纹影系统（13）采用光源（18）发出的光，通过反射镜M1（18a）反射后垂直经过气波振荡管（10），再由反射镜M2（18b）反射，由垂直于气波振荡管（10）流场密度梯度的刀口（18c）切去一半，最终投入高速摄像机（19）的成像系统中；
所述PIV系统中采用Nd:YAG激光器为PIV光源（20），激光以片光源或体光源方式覆盖气波振荡管（10），示踪粒子发生器（20a）置于气波振荡管（10）的一端，采用微米级烟雾颗粒作为示踪粒子，将粒子运动通过PIV相机（17）记录；
所述TDLAS系统采用TDLAS激光控制器（19a）控制激光准直器组（19b）发射激光，激光穿过气波振荡管（10）后由激光接收器组（19c）接收；
开展实验时，高压轴承（5）内环随转盘转动，高压入射转盘通道（4a）将高压入射喷嘴与气波振荡管（10）接通，当完成高压入射过程后，气波振荡管接通右侧入射盘高温气体出口实现排气过程，此时左侧入射喷嘴继续封闭，形成膨胀波温度下降，当右端中压喷嘴与气波振荡管接通时，中压气体射入压力振荡管并推动膨胀后的低温气体从低温排气腔排出。
2.根据权利要求1所述的一种用于气波振荡管性能测试的非接触式诊断平台，其特征在于：所述高压入射单元（12）中高压入射转盘（4）与背压入射单元（12a）中背压入射转盘（4b）的转速采用独立调节或同步并行调节。
3.根据权利要求1所述的一种用于气波振荡管性能测试的非接触式诊断平台，其特征在于：所述气波振荡管（10）圆形或矩形截面形状，至少保证光源能够从一个方向沿轴向穿越气波振荡管截面，所述光源包括TDLAS激光光源、纹影光源（18）。
4.根据权利要求1所述的一种用于气波振荡管性能测试的非接触式诊断平台，其特征在于：所述气波振荡管（10）在顶部开有数个引管，引管连接用于监测波系运动过程中压力信号的高频压力传感器或温度脉动信号的温度传感器。
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