Thermoacoustique

Chercheurs permanents

  • Michel Bruneau, Professeur émérite
  • Nicolas Joly, Maître de Conférences (HDR)
  • Pierrick Lotton, Directeur de Recherche CNRS
  • Gaelle Poignand, Ingénieure de Recherche
  • Guillaume Pénelet, Maître de Conférences (HDR)

 Chercheurs non permanents

  • Côme Olivier, A.T.E.R.
  • Lijia Gong, doctorant (2015-)
  • Valentin Zorgnotti, doctorant  (2015-)

Collaborations

Intra-LAUM

  • Equipe Guides & Structures: J. Gilbert, J.P. Dalmont
  • Equipe Matériaux: V. Gusev
  • Equipe Transducteurs: P. Picart, E. Gaviot

Nationales et internationales

  • Philippe Blanc-benon (LMFA, EC Lyon)
  • Hélène Bailliet (institut P', Univ. Poitiers)
  • Cécile Guyanvar'ch (L.N.E. CNAM paris)
  • Michal Bednarik (CVUT Prague, Rep. Tchèque)
  • Tetsushi Biwa (Univ. Tohoku, Japon)
  • Steven Garrett (Univ Penn. State, USA)
  • Roberto Arruda (Univ. Campinas, Brésil)

Généralités, Contexte

On désigne par thermoacoustique un processus physique qui met en jeu l'interaction entre une onde acoustique et des transferts de chaleur.  La nature et l'utilisation des phénomènes thermoacoustiques ne sont pas uniques, et on peut dénombrer plusieurs familles de processus thermoacoustiques (avec des communautés scientifiques et des problématiques différentes) suivant qu'il s'agisse par exemple de la génération d'auto-oscillations associées à un dégagement de chaleur instationnaire au sein du brûleur d'une turbine à gaz, d'une technique d'imagerie médicale (tomographie thermoacoustique), ou bien encore de l'effet piston mis en jeu dans les fluides supercritiques. Les recherches menées dans cette opération de recherche concernent en grande partie les machines thermoacoustiques, à savoir des systèmes qui tirent parti du processus thermoacoustique mis en jeu dans un matériau poreux pour la production de travail acoustique (fonctionnement en moteur) ou la génération d'un flux de chaleur (fonctionnement en pompe à chaleur).

 Les machines thermoacoustiques, pompes à chaleur ou moteurs, présentent une assez grande variété de géométries. Elles sont bien souvent classifiées -outre suivant leur mode de fonctionnement en moteur ou en pompe à chaleur - en deux catégories, à savoir les machines à ondes stationnaires (à "stack") et les machines thermoacoustiques de Stirling (à "régénérateur"), parfois aussi désignées (abusivement) machines à ondes progressives. Cependant, indépendamment de cette classification, le point commun de toutes ces machines est qu'elles mettent en jeu un matériau poreux, appelé stack (ou régénérateur pour les machines de type Stirling), qui, placé dans un réseau de guides d'ondes, constitue le coeur du système. Le principe d’une pompe à chaleur thermoacoustique repose sur l’entretien d’un champ acoustique résonant qui est responsable d’un flux de chaleur hydrodynamique le long du stack. A l’inverse, le principe d’un moteur thermoacoustique repose sur l’entretien d’un gradient de température le long du stack, qui donne lieu au delà d’un certain seuil à la naissance d’auto-oscillations acoustiques de fort niveau dont la fréquence et la distribution spatiale correspondent à celles du mode acoustique le plus instable.


Schéma de principe d'une pompe à chaleur et d'un moteur thermoacoustique à onde stationnaire

Les machines thermoacoustiques présentent un certain nombre de caractéristiques qui les rendent intéressantes dans diverses applications, telles leur simplicité de mise en oeuvre, leur rendement d'assez bon niveau, leur neutralité en terme de pollution environnementale, leur compacité possible, etc. En contrepartie, elles impliquent des phénomènes physiques complexes en raison des niveaux acoustiques élevés générés à l'intérieur du résonateur et des couplages avec les phénomènes thermiques qui y prennent place : effets de bords aérodynamiques et thermiques aux extrémités du stack et des échangeurs de chaleur, vent acoustique, propagation acoustique non linéaire... Ces effets, qui ont fait l'objet de nombreux travaux de recherche lors des quinze dernière années, sont à ce jour relativement bien identifiés mais néanmoins mal décrits, car ils impliquent pour la plupart des mécanismes non linéaires de transport de masse et de chaleur d'une assez grande complexité.

Pour en savoir plus... (support de cours, planches de conférence)

 Etudes en cours

Les recherches académiques menées au LAUM sur ce sujet ont pour objectif de proposer de nouveaux dimensionnements, de nouvelles méthodes de contrôle, et une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeux pour diminuer la part importante d'empirisme qui caractérise pour l'heure le développement de machines thermoacoustiques performantes. Les principales compétences des membres de l'équipe concernent l'acoustique physique, l'électroacoustique, et l'instrumentation pour l'acoustique. La composante expérimentale occupe une place importante dans les études menées au LAUM, et concerne principalement l'étude sur maquettes (machines de faible puissance) munies d'une instrumentation adaptée pour analyser finement les nombreux processus qui gouvernent le fonctionnement des machines thermoacoustiques.

Les thèmes de recherches abordées récemment par les membres de l'équipe concernent:

-  L'étude de la dynamique des auto-oscillateurs thermoacoustique: transitoires d'allumage et d'extinction des moteurs, modélisation simplifiée des mécanismes de saturation (pompage thermoacoustique, vent acoustique, effets de bord, propagation non linéaire).

- L'étude de nouvelles architectures et méthodes de contrôle: architecture compacte coaxiale, forçage des auto-oscillations et contrôle actif.

- La mise en oeuvre d'une instrumentation appropriée: Vélocimétrie Laser Doppler, interférométrie holographique...

- La caractérisation expérimentale des propriétés de noyaux thermoacoustique par la mesure de leurs matrice de transfert (prédiction de seuil de déclenchement, problème inverse...)

- L'étude du couplage visqueux et thermique à l'interface solide fluide pour des mélanges gazeux et avec changement de phase

- La mise au point de prototypes de puissance modérée 

 

Photothèque

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 Thèses soutenues

  • C. Olivier, "Contributions à l'Étude des Générateurs d'Ondes Thermoacoustiques : Contrôle Actif des Auto-Oscillations, et Propagation Non Linéaire", soutenue le 13 octobre 2015.
  • M. Leclercq, « Développement d'une technique de mesure par interférométrie holographique 3 couleurs. Applications à l'acoustique des milieux granulaires et à la thermoacoustique. », soutenue le 2 juillet 2014
  • F.C. Bannwart, "Methods for the transfer matrix evaluation of thermoacoustic cores with application to the design of thermoacoustic engines", soutenue le 24 Février 2014.
  • M. Guedra : « Etudes semi-analytiques des conditions de déclenchement et de saturation des auto-oscillations dans des moteurs thermoacoustiques de géométries diverses », thèse soutenue le 19 octobre 2012.

  • A. Boufermel: « Modélisation numérique des phénomènes non linéaires acoustiques en fluide thermo-visqueux: application à l'étude des écoulements redressés et des transferts thermiques en résonateurs »,  soutenue le 20 juillet 2010.

  • C. Desjouy: « Etudes thermoacoustiques en résonateur annulaire: mesure des écoulements redressés par Vélocimétrie Laser Doppler, et contrôle actif de l'amplification thermoacoustique »,  soutenue le 31 mars 2010.

  • G. Poignand, « Réfrigérateur thermoacoustique: étude du système compact et du régime  transitoire », soutenue le 10 juillet 2006.

  • G. Pénelet, « Etude expérimentale et théorique des processus non linéaires de saturation dans un générateur d’ondes thermoacoustique annulaire », soutenue le 10 Novembre 2004.

  • M. Amari, « Ecoulements redressés transitoires dans les résonateurs annulaires », soutenue le 30 mars 2004.

  • B. Lihoreau, « Réfrigérateur thermoacoustique compact: modélisation, conception, évaluation »,  soutenue le 18 décembre 2002.

  • S. Job, « Etudes théoriques et expérimentales d'un générateur thermoacoustique annulaire à ondes progressives », soutenue le 19 octobre 2001.

  • H. Bailliet, « machines thermoacoustiques: études analytiques et expérimentales de couplages et d'effets non linéaires acoustiques »,  soutenue le 23 octobre 1998.

     

Publications

2016

  • G. Penelet, M. Leclercq, T. Wassereau, P. Picart, « Measurement of density fluctuations using digital holographic interferometry in a standing wave thermoacoustic oscillator », Exp. Therm. Fluid Sci., 70:176-184, 2016.

  • M. Bednarik, M. Cervenka, P. Lotton, G. Penelet, «  Behavior of plane waves propagating through a temperature-inhomogeneous region », J. Sound Vib. 362:292-304, 2016.

  • G. Poignand, C. Olivier, G. Penelet, P. Lotton, " Hysteritical behaviour induced by an electroacoustic feedback loop in a thermo-acousto-electric engine ", Appl. Acoust., 105:110-115, 2016.

2015

  • M. Guedra, F.C. Bannwart, G. Penelet, P. Lotton, « Parameter estimation for the characterization of thermoacoustic stacks and regenerators », Appl. Thermal Eng., 80:229-237, 2015.

  • C. Olivier, G. Penelet, G. Poignand, J. Gilbert, P. Lotton, « Weakly Nonlinear Propagation in Thermoacoustic Engines: A Numerical Study ofHigher Harmonics Generation up to the Appearance of Shock Waves », Acust. Acta Acust. 101:941-949, 2015.

2014

  • C. Guianvarc'h, M. Bruneau, R. M. Gavioso, "Acoustics and precondensation phenomena in gas-vapor saturated mixtures", Phys. Rev. E, 89:023208, 2014.

  • C. Olivier, G. Penelet, G. Poignand, P. Lotton, "Active control of thermoacoustic amplification in a thermo-acousto-electric engine", J. Appl. Phys., 115:174905, 2014

  • M. Guedra, G. Penelet, P. Lotton, « Experimental and theoretical study of the dynamics of self-sustained oscillations in a standing wave thermoacoustic engine », J. Appl. Phys., 115:024504, 2014

2013

  • G. Poignand, A. Podkovskiy, G. Penelet, P. Lotton, M. Bruneau, « Analysis of a coaxial, compact thermoacoustic heat-pump », Acta Acust. United Ac., 99:898-904, 2013.

  • G. Penelet, T. Biwa, « synchronization of a thermoacoustic oscillator by an external sound source », American Journ. Phys., 81:290-297, 2013.

  • F.C. Bannwart, G. Penelet, P. Lotton, J.P. Dalmont, « Measurements of the impedance matrix of a thermoacoustic core: Applications to the design of thermoacoustic engines », J. Acoust. Soc. Am., 133:2650-2660, 2013.

2012

  • G. Penelet, M. Guedra, V. Gusev, T. Devaux, « Simplified account of Rayleigh streaming for the description of nonlinear processes leading to steady state sound in thermoacoustic engines. », Intern. Journ. Heat Mass Transfer, 55:6042-6053, 2012.

  • M. Guedra, G. Penelet, « On the use of a complex frequency for the description of hermoacoustic engines », Acta Acust. United Ac., 98(2):232-241, 2012.

  • C. Guianvarc'h, M. Bruneau, "Acoustic fields in binary gas mixtures: mutual diffusion effects throughout and beyond the boundary layers", J. Acoust. Soc. Am., 131:4252-4262, 2012.

2011

  • G. Poignand, P. Lotton, G. Penelet, M. Bruneau, « Thermoacoustic, small- cavity excitation to achieve optimal performance », Acta Acust. United Ac., 97(6):926-932, 2011

  • M. Guedra, G. Penelet, P. Lotton, J.P. Dalmont, « Theoretical prediction of the onset of thermoacoustic instability from the experimental transfer matrix of a thermoacoustic core », J. Acoust. Soc. Am., 130(1):145-152, 2011.

  • A. Berson, G. Poignand, Ph. Blanc-Benon, G. Comte-Bellot, "Nonlinear temperature field near the stack ends of a standing-wave thermoacoustic refrigerator", Int. J. Heat Mass Transf. 54:4730-4735, 2011.

  • A. Boufermel, N. Joly, P. Lotton, " Velocity of Mass Transport to Model Acoustic Streaming: Numerical Application to Annular Resonators ", Acta Acust. United Ac., 97:219-227, 2011.

2010

  • C. Desjouy, G. Penelet, P. Lotton, « Active control of thermoacoustic amplification in an annular engine », J. Appl. Phys., 108:114904, 2010.

  • A. Berson, G. Poignand, Ph. Blanc-Benon, G. Comte-Bellot, " Capture of instantaneous temperature in oscillating flows: Use of constant-voltage anemometry to correct the thermal lag of cold wires operated by constant-current anemometry ", Rev. Scient. Instr. 81:015102, 2010.

 Avant 2010

  • Lotton, P., Blanc-Benon P., Bruneau, M., Gusev V., Duffourd S., Mironov M., Poignand G. « Transient temperature profile inside thermoacoustic refrigerators », International Journal of Heat and Mass Transfer 52(21-22):4986-4996, 2009

  • Desjouy, C; Penelet, G; Lotton, P; Blondeau, J, « Measurement of acoustic streaming in a closed-loop traveling wave resonator using laser Doppler velocimetry »,Journal of the Acoustical Society of America 126 (5):2176-2183 2009.

  • Poignand, G; Lihoreau, B; Lotton, P; Gaviot, E; Bruneau, M; Gusev, V, « Optimal acoustic fields in compact thermoacoustic refrigerators », Applied Acoustics 68 (6):642-659 2007.

  • Penelet, G; Gusev, V; Lotton, P; Bruneau, M, « Nontrivial influence of acoustic streaming on the efficiency of annular thermoacoustic prime movers », Physics Letters A 351 (4-5):268-273 2006.

  • Joly, N; Bruneau, M; Bossart, R, « Coupled equations for particle velocity and temperature variation as the fundamental formulation of linear acoustics in thermo-viscous fluids at rest », Acustica Acta Acustica 92 (2):202-209 2006.

  • Tu, Q; Gusev, V; Bruneau, M; Zhang, CP; Zhao, L; Guo, FZ, «  Experimental and theoretical investigation on frequency characteristic of loudspeaker-driven thermoacoustic refrigerator », Cryogenics 45 (12):739-746 2005

  • Penelet, G; Job, S; Gusev, V; Lotton, P; Bruneau, M, « Dependence of sound amplification on temperature distribution in annular thermoacoustic engines », Acustica Acta Acustica 91 (3):567-577 2005.

  • Penelet, G; Gusev, V; Lotton, P; Bruneau, M, « Experimental and theoretical study of processes leading to steady-state sound in annular thermoacoustic engines », Physical Review E 72 (1): Art No. 016625 2005

  • Amari, M; Gusev, V; Joly, N, « Transient unidirectional acoustic streaming in annular resonators », Ultrasonics 42 (1-9):573-578 2004.

  • Job, S; Gusev, V; Lotton, P; Bruneau, M, « Acoustic streaming measurements in annular thermoacoustic engines », ,Journal of the Acoustical Society of America 113 (4):1892-1899, 2003

  • Amari, M; Gusev, V; Joly, N, « Temporal dynamics of the sound wind in acoustitron », Acustica Acta Acustica 89 (6):1008-1024 2003.

  • Bossart, R; Joly, N; Bruneau, M, « Hybrid numerical and analytical solutions for acoustic boundary problems in thermo-viscous fluids », Journal of Sound and Vibration 263 (1):69-84 Art No. PII S0022-460X(02)01098-2 2003.

  • Lihoreau, B; Lotton, P; Bruneau, M; Gusev, V, « Piezoelectric source exciting thermoacoustic resonator: Analytical modelling and experiment », Acustica Acta Acustica 88 (6):986-997 2002.

  • Mironov, M; Gusev, V; Auregan, Y; Lotton, P; Bruneau, M; Piatakov, P, « Acoustic streaming related to minor loss phenomenon in differentially heated elements of thermoacoustic devices », ,Journal of the Acoustical Society of America112 (2):441-445 2002.

  • Penelet, G; Gaviot, E; Gusev, V; Lotton, P; Bruneau, M, « Experimental investigation of transient nonlinear phenomena in an annular thermoacoustic prime-mover: observation of a double-threshold effect », Cryogenics 42 (9):527-532 Art No. PII S0011-2275(02)00073-5 2002.

  • Gusev, V; Lotton, P; Bailliet, H; Job, S; Bruneau, M, « Thermal wave harmonics generation in the hydrodynamical heat transport in thermoacoustics »,Journal of the Acoustical Society of America109 (1):84-90 2001.

  • Bailliet H., Gusev V., Raspet R., Hiller R, « Acoustic streaming in closed thermoacoustic devices », Journal of the Acoustical Society of America110 (4):1808, 2001.

  • Bailliet, H; Lotton, P; Bruneau, M; Gusev, V; Valiere, JC; Gazengel, B, « Acoustic power flow measurement in a thermoacoustic resonator by means of laser Doppler anemometry (LDA) and microphonic measurement », Applied Acoustics 60 (1):1-11 2000.

  • Bailliet, H; Lotton, P; Bruneau, M; Gusev, V, « Coupling between electrodynamic loudspeakers and thermoacoustic cavities », Acustica Acta Acustica 86 (2):363-373 2000.

  • Gusev, V; Bailliet, H; Lotton, P; Bruneau, M, « Asymptotic theory of nonlinear acoustic waves in a thermoacoustic prime-mover », Acustica Acta Acustica 86 (1):25-38 2000.

  • Gusev, V; Lotton, P; Bailliet, H; Job, S; Bruneau, M, « Relaxation-time approximation for analytical evaluation of temperature field in thermoacoustic stack », Journal of Sound and Vivration 235 (5):711-726 2000.

  • Gusev, V; Job, S; Bailliet, H; Lotton, P; Bruneau, M, « Acoustic streaming in annular thermoacoustic prime-movers », Journal of the Acoustical Society of America108 (3):934-945 Part 1 2000.

  • Gusev, V; Bailliet, H; Lotton, P; Bruneau, M, « Interaction of counterpropagating acoustic waves in media with nonlinear dissipation and in hysteretic media », Wave Motion 29 (3):211-221 1999.

  • Gusev, V.; Baillet, H; Lotton, P; Job, S; Bruneau, M, « Enhancement of the Q of a nonlinear acoustic resonator by active suppression of harmonics », Journal of the Acoustical Society of America103 (6):3717-3720 1998.

 

 

 

 


Par Guillaume PENELET (guillaume.penelet @ univ-lemans.fr)