Modélisation numérique des phénomènes non linéaires acoustiques en fluide thermovisqueux : application à l'étude des écoulements redressés et des transferts thermiques en résonateurs

par Abdennour Boufermel

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Nicolas Joly et de Pierrick Lotton.

Soutenue en 2010

à Le Mans , en partenariat avec Laboratoire d'acoustique de l'Université du Mans (laboratoire) .


  • Résumé

    La propagation acoustique à fort niveau s'accompagne généralement de phénomènes secondaires non linéaires. Parmi ces phénomènes, la génération d'écoulements secondaires redressés et le transfert de chaleur induit par l'acoustique (processus thermoacoustique) font l'objet du travail présenté dans ce mémoire de thèse. Plus précisément, l’objet du mémoire est de présenter et de valider une formulation théorique adaptée à la modélisation numérique des phénomènes non linéaires à partir de codes de calcul usuels, avec un minimum d’approximations. Les écoulements redressés et l’effet thermoacoustique présentant des échelles de temps grandes devant la période acoustique, la description théorique est réalisée sur la base d’une séparation des échelles de temps : (i) calcul du champ acoustique oscillant en régime harmonique au cours de la période acoustique, en tenant compte des effets de couches limites thermique et visqueuse, (ii) recherche des solutions des équations de conservation qui décrivent les phénomènes non linéaires lents, en utilisant la vitesse de transport de masse comme variable. L’usage de cette variable permet aux équations de conserver une forme classique en dynamique des fluides, les effets non linéaires étant traduits par différents termes sources aux seconds membres de ces équations. Cette modélisation numérique est appliquée à l’étude de machines thermoacoustiques de deux types (machine à onde progressive, machine à onde stationnaire), à l'intérieur desquelles les écoulements redressés et les transferts thermiques sont analysés séparément. Après validation sur des configurations particulières correspondant à des études analytiques antérieures, des résultats originaux sont présentés, concernant notamment l’effet de la courbure d'un résonateur annulaire sur l’écoulement redressé ou encore l’insertion d’un empilement de plaques solides fines (stack) à l’intérieur du résonateur.

  • Titre traduit

    Numerical modeling of nonlinear acoustic phenomena in thermoviscous fluid : application to the study of acoustic streaming and heat transfer in resonators


  • Résumé

    Usually, the acoustic propagation at high levels is accompanied by nonlinear secondary phenomena. Among these phenomena, the generation of secondary flows called ‘acoustic streaming’ and the heat transfer induced by the acoustic (thermoacoustic process) are studied. Specifically, the aim of the thesis is to present and to validate a theoretical formulation suitable for numerical modeling of nonlinear phenomena from conventional calculation codes, using a minimum of approximations. The acoustic streaming and the thermoacoustic effect having large time scales compared to the acoustic period, the theoretical description is carried out on the basis of a separation of time scales: (i) calculation of the oscillating acoustic field in harmonic regime during the acoustic period, taking into account effects of thermal and viscous boundary layers, (ii) seek solutions of the conservation equations that describe the slow nonlinear phenomena, using the mass transport velocity as a variable. The use of this variable allows the equations to keep a classical form in fluid dynamics; the nonlinear effects are shown by different source terms in right hand side of these equations. This numerical modeling is applied to the study of two types of machines thermoacoustic (traveling wave machine, stationary wave machine), inside which the acoustic streaming and heat transfers, are separately analyzed. After validation on specific configurations corresponding to previous analytical studies, original results are presented, concerning especially the effect of the curvature of annular resonator on the acoustic streaming or inserting a stack of thin solid plates inside the resonator.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (IX-131 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 127-131

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  • Bibliothèque : Le Mans Université (Le Mans). Service commun de documentation.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 2010LEMA1034
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