Etudes théoriques et expérimentales d'un générateur thermoacoustique annulaire à ondes progressives

Theoretical and experimental studies of an annular traveling wave thermoacoustic prime-mover

• Auteur / Autrice : Stéphane Job
• Direction : Michel Bruneau, Vitalij Gusev
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Le Mans
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'acoustique de l'Université du Mans

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes

Cascades (dynamique des fluides)

Oscillations

Stabilité

Guides d'ondes

Bruit de la couche limite

Résumé

L'interaction thermoacoustique, qui désigne l'interaction entre les ondes acoustiques et les oscillations de temperature associées, est un phénomène qui se développe dans les couches limites acoustiques, près d'une paroi. Ce phénomène est utilisé dans le fonctionnement des machines thermoacoustiques (réfrigérateur ou générateur). Ces machines font l'objet d'un regain d'intérêt en raison des applications potentielles qui se dessinent de nos jours. Un générateur thermoacoustique annulaire est constitué d'un guide d'ondes en forme de tore. Un matériau poreux, le long duquel est maintenu un gradient de température, est inséré dans ce guide d'ondes. Ceci permet d'accroître le volume des couches limites pour l'interaction thermoacoustique. Au-delà d'un certain seuil du gradient de température imposé, ce système devient instable et un champ acoustique est spontanément généré et auto-entretenu par le processus thermoacoustique. Il n'existe dans la littérature que peu de travaux sur ce type de générateurs therinoacoustiques. L'objectif du travail présenté est de proposer un modèle théorique du comportement d'un tel système, en régime transitoire et en régime permanent. Un prototype de générateur thermoacoustique annulaire, réalisé dans le cadre de ces travaux de recherches doctorales, a permis de valider le modèle théorique proposé. L'étude analytique du régime transitoire de déclenchement de l'instabilité thermoacoustique est abordée en modélisant la propagation acoustique dans un matériau poreux dans lequel est imposée une distribution quelconque de température. Le comportement instable du système est mis en évidence. La condition de seuil de déclenchement de cette instabilité est déterminée analytiquement, puis comparée aux données expérimentales. Le comportement en régime permanent est étudié. Le régime de saturation est essentiellement gouverné par des phénomènes non-linéaires, parmi lesquels la génération d'harmoniques par processus de cascade et la génération d'un vent acoustique ont un rôle important dans la saturation du processus thermoacoustique. Ces deux phénomènes non-linéaires ont été observés dans le générateur thermoacoustique annulaire et modélisés.

Thermoacoustic interaction, the interaction between acoustic waves and associated temperature oscillations, is a phenomenon which develops in the acoustic boundary layers, near a wall. This phenomenon is used in thermoacoustic devices (refrigerators and prime-movers). These machines are subjected to growing interest due to potentials applications which appear nowadays. An annular thermoacoustic prime-mover is made of toroidal waveguide. A porous material, along which is maintained a longitudinal temperature gradient, is placed in the waveguide. This increases the volume of acoustic boundary layers for thermoacoustic interaction. Above a given imposed temperature gradient threshold, this device becomes unstable and an acoustic field is spontaneously generated and self-sustained by the thermoacoustic process. In the literature, there is only few works concerning this type of thermoacoustic prime-movers. The goal of the present study is to propose a theoretical modeling of the behavior of such a system in transient and stationary regime. An annular thermoacoustic prime-mover prototype, designed within the framework of these Ph. D. Researches, allowed to validate the proposed theoretical modeling. The analytical study of the transient thermoacoustic instability regime is approached by modeling acoustic propagation in a porous material where arbitrary temperature distribution may be imposed. The unstable behavior of the system is pointed out. The instability threshold condition is analytically determined, and compared to experimental data. The stationary regime behavior is studied. The saturation regime is essentially governed by nonlinear phenomena, among which cascade process of acoustic harmonics excitation and acoustic streaming excitation take important roles. Both these nonlinear effects have been observed in the annular thermoacoustic prime-mover and modeled.