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Analysis and characterization of flows recovered in an annular thermoacoustic engine / Analyse et caractérisation des écoulements redressés dans un moteur thermoacoustique annulaire

Authors
  • PARIDAENS, Richard
  • KOUIDRI, Smaïne
Publication Date
Jan 01, 2013
Source
OpenGrey Repository
Keywords
Language
French
License
Unknown

Abstract

Les phénomènes non linéaires dans les machines thermoacoustiques sont à l'origine d'écoulements secondaires se superposant au flux oscillant. Malgré leur faible niveau, ces écoulements entraînent une importante convection d'énergie vers les parois dégradant ainsi les performances énergétiques des systèmes thermoacoustiques. Afin d'augmenter leurs performances, il apparait comme inévitable de supprimer ou de réduire ce phénomène de vent acoustique. Cette thèse portera ainsi sur l'étude du vent acoustique dans les systèmes thermoacoustiques. Comme l'étude du vent acoustique nécessite la connaissance des champs acoustiques, un modèle linéaire du comportement des champs d'ordre 1 est utilisé et appliqué dans le cas d'une machine thermoacoustique annulaire de type Stirling conçue et réalisée au sein du LIMSI. Les résultats théoriques du champ de pression sont confrontés aux résultats expérimentaux et leurs écarts relatifs inférieurs à 6\% permettent la validation du modèle linéaire. Les écoulements secondaires n'ont été caractérisés, de nos jours, que pour des systèmes académiques. Afin de caractériser le vent acoustique dans notre moteur thermoacoustique, le modèle de Gusev et al. et celui de Bailliet et al. ont été utilisés. Pour appliquer leurs résultats, l'influence de la variation de la section transversale a été ajoutée à leurs modélisations. Les champs théoriques du gradient de pression et de la vitesse axiale de l'écoulement redressé, ainsi que le flux de masse ont été déterminés dans le moteur thermoacoustique à ondes progressives du LIMSI. Afin de valider les résultats obtenus, les champs théoriques de la vitesse axiale du vent acoustique ont été confrontés à leurs mesures obtenues par Vélocimétrie Laser Doppler. La bonne correspondance entre les résultats théoriques et expérimentaux a permis la validation du modèle utilisé. Afin de réduire le phénomène de vent acoustique dans les systèmes thermoacoustiques, la compréhension des mécanismes de génération de ce dernier s'est avérée indispensable. Ainsi trois phénomènes à l'origine de la création du vent acoustique ont été identifiés : les contraintes de Reynolds, les contraintes visqueuses et le débit acoustique. Le modèle de caractérisation a ensuite permis de quantifier l'influence de chaque mécanisme dans le moteur thermoacoustique. L'influence de la largeur du canal sur les différents mécanismes a été étudiée. Cette étude a permis de comprendre l'origine des tourbillons internes et externes. / In thermoacoustic devices, nonlinear acoustic phenomena generate a secondary flow superimposed on the oscillating flow. Despite its low level, the secondary flow contributes to a significant energy dissipation by heat convection between the exchangers. Reducing or eliminating acoustic streaming appears inevitable to increase the efficiency of thermoacoustic engines. Therefore, this thesis focuses on the investigation of acoustic streaming. As acoustic streaming is generated by the propagation of acoustic, the knowledge of acoustic fields is required. A linear model of first order is used and applied in a travelling wave thermoacoustic engine designed and built at LIMSI. The results of acoustic pressure are compared theoretically and experimentally and the relative error less than 6% allows the validation of the linear model. Acoustic streaming has only been characterized in simplified systems. To characterize the streaming in our thermoacoustic device, the modellings of Gusev et al. and of Bailliet et al. have been used. To apply their results in the case of our system, the influence of the section variation has been added to their modellings. The pressure gradient and the axial velocity of the acoustic streaming and the mass flow in the loop have been quantified in the system. Measurements by Laser Doppler Velocimetry of the streaming velocity have been performed and compared with the theoretical results. Good agreements between theoretical and experimental results have been obtained. To reduce acoustic streaming in thermoacoustic devices, it appears necessary to understand the mechanisms of streaming generation. Therefore, three phenomena were identified: the Reynolds stresses, the viscous stresses and the acoustic flow. The developed model was used to quantify the influence of each mechanism in the thermoacoustic engine. The investigation was then extended to the influence of the channel width. Those investigations lead to understand the origin of the inner and outer vortex. Therefore, the research works conducted in this thesis allow the characterization of streaming field in thermoacoustic systems and the expansion of the understanding of the phenomena at the origin of acoustic streaming. This work is part of research aimed at reducing acoustic streaming in thermoacoustic systems to increase their efficiency. / PARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / Sudoc / Sudoc / France / FR

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