Etude expérimentale et théorique des processus non linéaires de saturation dans un générateur d'ondes thermoacoustique annulaire - Le Mans Université Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2004

Experimental and theoretical study of nonlinear saturation processes in annular thermoacoustic engines

Etude expérimentale et théorique des processus non linéaires de saturation dans un générateur d'ondes thermoacoustique annulaire

Résumé

For the transformation of thermal energy into mechanical energy, thermoacoustic prime movers employ the interaction between an inhomogeneously heated stack of solid plates and gas oscillations, which results in the onset of self-excited acoustic oscillations. For the past ten years, an important research effort has been devoted to the study of nonlinear processes which are responsible for the saturation of the acoustic wave amplitude; experimental observations were not only poorly mastered and badly documented, but were also unexplained because of the lack of adequate models to describe such complex processes. Thus, the work presented in this report has been initiated to list, classify, interpret the experimental observations analytically, and to propose a model able to describe various transient regimes in an annular thermoacoustic prime mover.

The experimental results obtained for various heating processes show complicated transient regimes : periodic switch on-off of the acoustic wave, low frequency modulation of the acoustic wave amplitude, double-threshold effect during the onset of the thermoacoustic instability and so on. Significant variations of the temperature field have also been observed during these transient regimes indicating that, in addition to the classical cascade process of higher harmonic generation and minor losses (vortex generation at the edges of the stack), the nonlinear processes involving interaction between acoustic and temperature fields play an important role in the dynamics of the transient regime. In particular, the development of a high amplitude acoustic field induces both thermoacoustic enthalpy flow (equivalent to acoustically enhanced thermal conductivity of the stack walls) and acoustic streaming which modifies the shape of the temperature field.

The influence of sound amplification on temperature distribution is studied analytically, and shows that the distribution of the acoustic field (pressure, velocity and phase shift), and consequently the thermoacoustic amplification, strongly depends on the shape of the temperature field. Then, the analytical description of the above mentioned nonlinear effects and of the transient interaction between acoustic and temperature fields is proposed : the simulation results are very close to experimental results, thus confirming the major role of acoustically enhanced conductivity and acoustic streaming. Finally, a more qualitative description of the transient regime is proposed as a set of ordinary differential, equations, and allows to extract the predominant physical processes.

Because it supplies a new undestanding of fundamental processes which control the acoustic wave saturation, this work contributes, in our opinion, to the progress in designing thermoacoustic engines so that they become much more efficient.
Les moteurs thermoacoustiques sont des résonateurs acoustiques dans lesquels l'interaction des oscillations acoustiques et thermiques au voisinage d'un empilement localisé de parois solides (stack) soumises à un fort gradient de température engendre une conversion d'énergie thermique en énergie acoustique, qui se traduit par le déclenchement d'oscillations acoustiques auto-entretenues de fort niveau. Depuis une dizaine d'années, un important effort de recherche a été consacré à l'étude des processus non linéaires responsables de la saturation en amplitude de l'onde acoustique ; les observations expérimentales restaient 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 présentés dans ce mémoire est 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 mineures aux extrémités du stack (génération de tourbillons), 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 est 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. Puis une description analytique des effets non linéaires précédemment cités et de l'interaction en régime transitoire entre champ acoustique et champ de température est présentée: elle mène à des de résultats de simulations très proches des résultats expérimentaux, ce qui confirme le rôle majeur joué par la conductivité acoustiquement induite et le vent acoustique. Enfin, une description qualitative du régime transitoire sous forme d'un système d'équations différentielles ordinaires est proposée, qui permet finalement d'extraire les processus physiques prépondérants.

Parce qu'ils apportent une compréhension nouvelle des processus fondamentaux qui régissent la saturation de l'onde, ces travaux apportent à nos yeux une contribution aux avancées pratiques qui visent à améliorer l'efficacité des machines thermoacoustiques.
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Dates et versions

tel-00008096 , version 1 (17-01-2005)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00008096 , version 1

Citer

Guillaume Penelet. Etude expérimentale et théorique des processus non linéaires de saturation dans un générateur d'ondes thermoacoustique annulaire. Acoustique [physics.class-ph]. Université du Maine, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00008096⟩
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