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Nouvelle traduction : Présentation OR Thermo-acoustique

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Présentation générale

Objectifs :
Les travaux de l’OR "Thermoacoustique" sont menés suivant deux axes : d’une part l’étude des phénomènes transitoires et non-linéaires (acoustiques et thermiques) qui se développent dans les systèmes thermoacoustiques et, d’autre part, la miniaturisation de ces systèmes et le développement de capteurs miniatures qui en permettent la caractérisation et le contrôle (en collaboration forte avec l’OR "microsystèmes").

Compétences
- Aspects fondamentaux

  • modélisation des phénomènes mis en jeu dans le processus thermoacoustique:
    - approches analytiques,
    - méthodes numériques.

- Aspects expérimentaux et technologiques conception et développement de prototypes de machines thermoacoustiques;

Thématiques

Effets non linéaires et comportements transitoires
- Générateur thermoacoustique annulaire

  • Etude des conditions de déclenchement et de saturation de l’onde acoustique
  • Etude des écoulements redressés

- Résonateur acoustique à ondes progressives

  • Etude du couplage sources/résonateur
  • Etude des écoulements redressés

- Comportement transitoire d’un réfrigérateur thermoacoustique

Nouvelles architectures en vue d’une miniaturisation
- Réfrigérateur thermoacoustique compact

  • Réalisation et caractérisation de prototypes
  • Etude du champ acoustique optimal pour le processus thermoacoustique

- Réfrigérateur thermoacoustique planaire

  • Réalisation et caractérisation de prototypes

Membres

Chercheurs / Enseignants - chercheurs
Philipe Béquin (MCF), Anne-Marie Bruneau (Pr.ém.), Michel Bruneau (Pr. ém.), Stéphane Durand (MCF), Etienne Gaviot (Pr.), Vitaly Gusev (Pr.), Nicolas Joly (MCF/hdr), Pierrick Lotton (CR CNRS/hdr), Guillaume Penelet (MCF).

Equipe Technique
Emmanuel Brasseur (ITA CNRS), Lionel Camberlein (IGE),

Doctorants
Abdenour Boufermel (MESR), Cyril Desjouy (MESR)

Post - Doctorants
V. Feuillet

Partenaires

Extérieurs
- Laboratoire de Mécanique de Fluides et d’Acoustique – Ecole Centrale de Lyon (UMR 5509)
- Laboratoire "Transferts Écoulements Fluides Énergétique" – Univerité de Bordeaux (UMR 8508)
- Stokes Research Institute, University of Limerick, Ireland

Contrats

- Contrat ANR "MicroThermAc" Transports non linéaires de masse et de chaleur par effets thermo-acoustiques dans les micro-systèmes : applications à la réfrigération" (contrat ANR-05-BLAN-0016-01) – En partenariat avec le LMFA (UMR 5509) et le TREFLE (UMR 8508)

Générateur thermoacoustique annulaire

Une partie des travaux concerne plus particulièrement l’étude des processus non linéaires responsables de la saturation en amplitude de l’onde acoustique générée dans un moteur thermoacoustique annulaire (les observations expérimentales restant, à l’époque à laquelle ces travaux ont été initiés, non seulement mal maîtrisées et limitées, mais encore inexpliquées en raison de l’absence de modèles pertinents en regard de la complexité des phénomènes). C’est ainsi que l’objet des travaux effectués ces 4 dernières années a été de répertorier expérimentalement, de classifier, d’interpréter de façon analytique et de modéliser les différents régimes transitoires dans un moteur thermoacoustique annulaire.

Les résultats expérimentaux, obtenus sous diverses conditions de chauffage, montrent des régimes transitoires complexes: régime périodique de déclenchement-arrêt de l’onde acoustique, oscillations basse-fréquence de l’amplitude de l’onde, double déclenchement de l’instabilité thermoacoustique... Ces observations, auxquelles sont associées des évolutions significatives du champ de température, indiquent qu’en plus des processus classiques de cascade harmonique ou de pertes de charge (génération de vortex) aux extrémités de l’empilement de plaques (stack) qui constitue le coeur des machines thermoacoustiques, les effets non linéaires d’interaction entre champ acoustique et champ de température jouent un rôle important sur la dynamique des régimes transitoires observés. En particulier, le développement d’un champ acoustique de niveau élevé est source d’un flux d’enthalpie thermoacoustique (équivalent à une augmentation acoustiquement induite de la conductivité thermique des parois du stack), et d’un vent acoustique modifiant la forme du champ de température.

Une étude analytique de l’influence de la forme du champ de température sur l’amplification thermoacoustique a été proposée, qui montre que la distribution du champ acoustique (pression, vitesse et phase), et par suite l’amplification thermoacoustique du son, dépendent de façon critique de la forme du champ de température. Une description analytique des effets non linéaires précédemment cités et de l’interaction en régime transitoire entre champ acoustique et champ de température a été également menée. Elle mène à des résultats de simulations très proches des résultats expérimentaux, confirmant ainsi le rôle majeur joué par la conductivité acoustiquement induite et le vent acoustique. De plus, cette étude a permis de démontrer, sous certaines circonstances, que l’effet de la convection forcée d’origine acoustique peut mener à une augmentation d’un facteur 2 du rendement d’un générateur d’ondes thermoacoustique annulaire (car la modification acoustiquement induite de la forme du champ de température a pour effet de modifier la phase entre les oscillations acoustiques et thermiques au sein du stack, et par là même de modifier le “cycle moteur” suivi par une particule de fluide oscillant au sein du stack).

Ces travaux ont été poursuivis par une étude expérimentale et analytique sur l’effet de l’ajout d’une membrane élastique dans le dispositif expérimental pour contrôler les effets du vent acoustique et tendre vers une optimisation du rendement de cette machine. Les résultats ont mis en évidence l’importance du choix de l’emplacement de la membrane, mais également l’apparition de nouveaux effets non linéaires (génération d’harmoniques impairs) dus à la membrane elle-même.

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Fig. Générateur thermoacoustique annulaire

Résonateur acoustique à ondes progressives

La structure annulaire d’une machine thermoacoustique est particulièrement propice au développement d’un écoulement d’ensemble, encore appelé ’vent acoustique’ ou ’streaming’. Cette mise en mouvement est provoquée par les phénomènes non linéaires essentiellement localisés dans les couches limites acoustiques, et peut à son tour modifier par effet convectif le champ thermique et le fonctionnement du système thermoacoustique.

Après une mise en équations des phénomènes non-linéaires sous une forme générale, le développement de l’écoulement moyen a été étudié en régime transitoire dans un résonateur acoustique de géométrie toroïdale en l’absence de stack, ce guide d’onde annulaire étant appelé ’acoustitron’. Le champ acoustique en présence de couches limites thermique et visqueuse étant la solution d’un modèle analytique, la mise en mouvement de l’écoulement a été étudiée analytiquement et numériquement, mettant en évidence un processus de diffusion de la quantité de mouvement depuis les couches limites acoustiques , siège des phénomènes non-linéaires à l’origine de l’excitation du mouvement moyen, qui aboutit à un écoulement stationnaire dans le tube annulaire. Le temps caractéristique de ce phénomène transitoire a été étudié en fonction des différents paramètres du système.

La modélisation de ces phénomènes par une méthode numérique a permis d’apprécier l’effet de l’introduction d’un stack dans l’anneau fluide. Outre l’étude de machines thermoacoustiques annulaires, cette modélisation présente un intérêt pour des applications en micro-fluidique.

Comportement transitoire d’un réfrigérateur thermoacoustique

La différence de température atteinte en régime établi dans un réfrigérateur thermoacoustique peut être estimée à partir de la théorie linéaire classique de la thermoacoustique, en faisant l’hypothèse qu’en régime établi le flux de chaleur créé par le processus thermoacoustique le long de l’empilement est entièrement compensé par le flux de chaleur du à la conduction thermique retour dans les plaques de l’empilement et dans le fluide compris entre ces plaques. La valeur théorique obtenue est généralement surestimée, et son expression doit alors être corrigée d’un coefficient phénoménologique pour correspondre aux résultats expérimentaux. Les causes de cette différence doivent certainement être recherchées dans les processus complexes d’échanges thermiques qui prennent place au niveau de l’empilement d’un système thermoacoustique. Ainsi, un modèle analytique du comportement en régime transitoire d’un réfrigérateur thermoacoustique a été mis en place, dans le cadre d’une théorie linéaire, qui, associé aux données expérimentales et numériques disponibles dans la littérature, permet d’apporter des éléments de réponse.

Ce comportement thermique transitoire est considéré ici comme l’effet résultant de la superposition de cinq phénomènes de transport de chaleur (le flux de chaleur du à l’effet thermoacoustique, la conduction retour dans l’empilement, la quantité de chaleur générée par les pertes visqueuses dans l’empilement, les fuites thermiques à travers les parois du résonateur et celles aux extrémités de l’empilement). Une équation de diffusion thermique est écrite, qui prend en compte l’ensemble de ces phénomènes. L’expression de l’évolution temporelle du profil de température le long de l’empilement est solution du problème constitué de cette équation de diffusion, associée aux conditions aux interfaces (aux extrémités de l’empilement et au niveau des parois du résonateur), et s’écrit sous la forme d’un développement sur la base des fonctions propres solutions du problème aux valeurs propres associé.

L’accord entre les résultats expérimentaux et ceux issus du modèle analytique est obtenu en ajustant les coefficients d’échange thermique apparaissant dans les équations de départ, et dont les valeurs pour le système étudié sont inaccessibles à l’expérience (seuls les ordres de grandeurs sont connus et respectés ici). Le modèle analytique ainsi ajusté permet alors de décrire l’évolution temporelle de la distribution de la température, et les rôles respectifs des différents phénomènes physiques mis en jeu sont clairement identifiés.

Réfrigérateur thermoacoustique compact

Les réfrigérateurs thermoacoustiques classiques à ondes stationnaires, généralement constitués d’un résonateur demi-onde (ou quart d’onde) à l’intérieur duquel est disposé un empilement de plaques de longueur très inférieure à celle du résonateur, fonctionnent à leur première fréquence de résonance. Ainsi, l’amplitude relative et la phase relative de la pression acoustique et de la vitesse particulaire sont essentiellement imposées par la condition de résonance et ne correspondent pas nécessairement à une configuration optimale pour le processus thermoacoustique (le seul degré de liberté laissé à l’expérimentateur restant le niveau d’excitation de la source acoustique).

Par ailleurs, l’utilisation d’un résonateur implique la présence d’un volume “perdu”, correspondant au volume du résonateur inoccupé par le stack, qu’il conviendrait de supprimer dès lors qu’une réduction de l’encombrement des systèmes est recherchée.

Afin de s’affranchir de ces inconvénients (champ acoustique imposé par la condition de résonance, encombrement du au volume du résonateur), une solution est proposée qui consiste à remplacer le résonateur par une cavité dont les dimensions intérieures sont ramenées à celles du stack et dans laquelle les champs de pression et de vitesse particulaire sont créés de manière indépendante par un jeu de haut-parleurs (entre deux et quatre) placés et alimentés de manière à optimiser le processus thermoacoustique. La souplesse du processus de contrôle des amplitudes et phases des grandeurs acoustiques dans un tel réfrigérateur, dit «compact », doit pouvoir compenser largement les inconvénients liés à l’usage de plusieurs sources.

L’étude théorique et expérimentale de ce système compact a été menée au LAUM. En particulier, un modèle analytique du comportement d’un tel système a été développé, et l’existence d’un champ acoustique optimal pour le processus thermoacoustique a été mis en évidence expérimentalement.

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Fig. Réfrigérateur thermoacoustique compact
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Fig. Réfrigérateur thermoacoustique compact de dimensions réduites