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Dernière mise à jour:vendredi 4 avril 2014 Menu
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Membres de l’équipes Activités de recherche Contrats
Thèses soutenues
Responsable : Guillaume PENELET (MCF)
Membres de l’équipes Chercheurs et enseignants chercheurs : M. Bruneau (Pr. ém.), S. Durand (MCF/HDR), E. Gaviot (Pr.), V. Gusev (Pr.), N. Joly (MCF/HDR), P. Lotton (DR CNRS), G. Penelet (MCF), G. Poignand (IGR), F. Polet (MCF), N. Yaakoubi (MCF)
Autres personnels : L. Camberlein (IGR), E. Brasseur (AI), J. Blondeau (AI)
Doctorants : F.C. Bannwart (soutenance prévue en mai 2013, co-tutelle université de Campinas, Brésil)
Anciens membres ou visiteurs : H. Bailliet (Doc. 95-98), T. Biwa (Pr. inv, 11), M. Amari (Doc. 01-04), A Boufermel (Doc. 06-09), C. Desjouy (Doc. 06-09), V. Feuillet (Postdoc 07-08), M. Guédra (Doc. 09-12), G. Huelsz (Pr. inv, 05), S. Job (Doc. 98-01), B. Lihoreau (Doc. 99-02), M. Mironov (Pr. Inv, 01), Q. Tu (Postdoc, 05)
Activités de recherche
Mots clés : Machines thermoacoustiques, acoustique physique, acoustique non linéaire, vent acoustique, électroacoustique.
Les machines (moteur ou réfrigérateur) thermoacoustiques sont des machines thermiques, qui ont vocation à échanger de l’énergie avec des sources extérieures sous forme de travail (acoustique) et de chaleur. Les machines thermoacoustiques présentent un certain nombre de caractéristiques qui les rendent intéressantes dans diverses applications, telles leur simplicité de mise en oeuvre, leur haute fiabilité, leur efficacité ou leur rendement d’assez bon niveau, leur faible coût à la production, leur neutralité en terme de pollution environnementale, leur compacité possible, etc. En contrepartie, elles impliquent des phénomènes physiques complexes en raison des niveaux acoustiques élevés générés à l’intérieur du résonateur et des couplages avec les phénomènes thermiques qui y prennent place. La thermoacoustique possède déjà une longue histoire, mais elle ne concerne les machines thermiques réelles que depuis une vingtaine d’années seulement. C’est en 1995 que des études analytiques et expérimentales sur les machines thermoacoustiques sont entreprises au Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine, en collaboration, dès 1996, avec le Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique (LMFA UMR CNRS 5509) de l’Ecole Centrale de Lyon. Depuis 1999, les travaux 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 avec les membres de l’OR Microsystèmes). Quelques activités de recherches présentes et passées
Générateurs d’ondes thermoacoustiques Réfrigérateurs thermoacoustiques Nouvelles architectures Ecoulements redressés MEMS : instrumentation, « stacks » et échangeurs
Collaborations récentes
LMFA (UMR CNRS 5509), Ph. Blanc-Benon Institut Pprime (UPR CNRS ), H. Bailliet, D. Marx, J.-C. Valière TREFLE (UMR CNRS ), D. Lasseux Université de Campinas (Brésil) : R. Arruda CVUT (République Tchèque) : Z. Skvor
Contribution au contrat ANR Blanc « IMHOTEC » pour la partie application de l’holographie numérique à la thermoacoustique, contrat n° ANR 2010 BLANC 0302 01, octobre 2010 – février 2014 Contrat ANR Blanc « MicroThermAc », contrat n°ANR-05-BLANC-0016-2, 12/05-06/09, en collaboration avec le LMFA (UMR CNRS 5509) et le TREFLE (UMR CNRS 8508) contrat DGA n°99-34072/DSP (1999-2003), en collaboration avec le LMFA. contrat DGA n°952597A (1995-1999).
Générateurs d’ondes thermoacoustiques
Un important effort de recherche est mené depuis plusieurs années de par le monde sur la description des générateurs d’ondes thermoacoustiques, qu’il soient de type Stirling ou à ondes stationnaires, équipés ou non d’une charge (résonateur secondaire, alternateur électrodynamique, tube à gaz pulsé...). Ces recherches sont motivées par la nécessité de décrire finement les conditions de déclenchement de l’instabilité thermoacoustique et les mécanismes de saturation en amplitude de l’onde auto-oscillante.
Les premiers travaux menés dans l’équipe sur les générateurs d’ondes thermoacoustiques portent sur la description d’un moteur thermoacoustique à ondes stationnaires dans lequel le déclenchement de l’onde acoustique est décrit par la résolution analytique de l’équation de la thermoacoustique linéaire sur la base de sa transformation sous forme d’une équation intégrale de Volterra de seconde espèce [RCL2,5]. Ils portent également sur la modélisation de la saturation de l’onde prenant en compte le processus de cascade harmonique. Ces travaux ont été poursuivis par l’étude expérimentale et théorique des conditions de déclenchement et de saturation de l’instabilité thermoacoustique dans un générateur d’ondes annulaire [RCL10,15,17,18,21]. Là encore, une description analytique « exacte » des conditions de déclenchement est proposée. De plus, une étude expérimentale du régime transitoire de déclenchement et de saturation de l’onde est menée, qui met en lumière la complexité des régimes obtenus sous diverses conditions (double-déclenchement, « overshoot », régime de déclenchement et arrêts successifs). Ces dynamiques complexes ont été reproduites qualitativement sur la base d’une modélisation analytique du régime transitoire ; elles prennent en compte les effets non linéaires acoustiques classiques (génération d’harmoniques supérieurs, pertes de charges singulières) ainsi que ceux mettant en jeu l’interaction entre champ acoustique et champ de température (vent acoustique, conductivité thermique acoustiquement induite). Les résultats obtenus montrent que ces derniers effets jouent un rôle prépondérant dans la nature des régimes transitoires observés. En outre, une méthode originale de contrôle actif de l’amplification thermoacoustique a été proposée, dont la preuve du concept a été apportée sur un prototype de générateur d’ondes annulaire [RCL26], qui permet d’augmenter significativement le rendement de la machine au moyen de deux sources auxiliaires judicieusement contrôlées en amplitude et en phase. Les travaux sur les générateurs d’ondes thermoacoustique sont actuellement poursuivis [RCL28] tant sur le plan analytique (généralisation du modèle analytique à la description de générateur d’ondes de géométries plus complexes) qu’expérimental (mise en oeuvre d’un banc de mesure de la matrice de transfert d’un noyau thermoacoustique).
Fig. 1 : Générateur d’ondes thermoacoustique annulaire.
Fig.2:Dispositif expérimental pour l’étude du concept de contrôle actif de l’amplification thermoacoustique : générateur d’onde thermoacoustique annulaire muni de sources acoustiques (2) de contrôle de la distribution spatiale du champ acoustique(optimisation du processus de conversion thermoacoustique).
Fig.3 : Banc de caractérisation des propriétés d’amplification d’un noyau thermoacoustique. Banc de mesure complet.
Vue hors tout du noyau thermoacoustique.
Réfrigérateurs thermoacoustiques
Les travaux actuellement menés de par le monde sur les réfrigérateurs et pompes à chaleur thermoacoustiques concernent la description fine du champ de température établi le long du stack/régénérateur par effet thermoacoustique, la réduction de l’encombrement de la machine (avec notamment pour objectif d’utiliser ces dispositifs pour le maintien en température des composants électroniques), et la description des transferts thermiques entre le stack/régénérateur et les échangeurs de chaleur. De façon plus générale, l’ensemble des travaux menés vise à une meilleure modélisation des effets mis en jeu en vue d’une optimisation du fonctionnement de ces dispositifs.
Les premiers travaux menés dans l’équipe sur les réfrigérateurs thermoacoustiques ont porté sur l’étude et l’optimisation du couplage entre la source acoustique et le résonateur : une modélisation électroacoustique complète de ce couplage a été mise en oeuvre, qui prend notamment en compte la présence du stack/régénérateur soumis à un gradient de température ; elle a été validée par un ensemble de résultats expérimentaux [RCL6,12]. Une méthode originale de contrôle actif a également été proposée [RCL1] pour augmenter l’efficacité de la machine : cette méthode vise à supprimer les harmoniques supérieurs générés dans le guide d’onde par propagation non linéaire, grâce à un mécanisme d’interférences destructives contrôlées par la source acoustique elle-même (adjonction d’harmoniques supérieurs dans le signal délivré par la source). Des travaux ont également porté sur la description des transferts thermiques aux extrémités du stack et des échangeurs de chaleurs [RCL4,9]. Ces travaux analytiques ont mis en évidence la génération d’effets non linéaires thermiques, du fait de la présence d’un forte singularité vue par la particule fluide lorsqu’elle rentre et sort du stack/régénérateur (passage soudain d’un milieu polytropique à un milieu adiabatique). De tels effets (ainsi que les effets de bords aérodynamiques) doivent être pris en compte dans le dimensionnement des échangeurs de chaleur et de l’espace séparant ces échangeurs du stack/régénérateur.
Une part importante des recherches concerne également la description du régime transitoire d’établissement du champ de température le long du stack [RCL24]. Un modèle analytique du comportement en régime transitoire d’un réfrigérateur thermoacoustique a été mis en oeuvre. 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 dû à l’effet thermoacoustique, la conduction thermique 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. L’accord entre les résultats expérimentaux et ceux issus du modèle analytique est obtenu en ajustant les coefficients d’échanges thermiques apparaissant dans les équations de départ, et dont les valeurs pour le système étudié sont inaccessibles à l’expérience. Le modèle analytique ainsi ajusté permet alors de décrire l’évolution temporelle de la distribution de la température, et d’identifier clairement les rôles respectifs des différents phénomènes physiques mis en jeu. Une étude expérimentale par thermographie infrarouge a également été mise en oeuvre afin d’estimer certains coefficients d’échanges thermiques en écoulement oscillant. Cette technique est basée sur la mesure par thermographie infrarouge de l’évolution temporelle du champ de température à la surface d’une plaque lorsque celle-ci est placée dans un résonateur thermoacoustique. Les résultats de cette mesure associés à une description analytique du comportement thermique de la plaque (description basée sur le modèle en régime transitoire évoqué plus haut) permettent d’obtenir une estimation des coefficients d’échanges. Les valeurs obtenues correspondent aux ordres de grandeurs des valeurs empiriques disponibles dans la littérature et mettent en évidence que la prise en compte des flux de chaleurs additifs aux extrémités du stack est indispensable pour obtenir des résultats satisfaisants. Fig. 4 : Evolution temporelle théorique (traits pleins) et expérimentale (pointillés) de la différence de température moyenne entre les extrémités du stack (a), des températures moyennes à ces deux extrémités (b), de la distribution spatiale de la température moyenne le long du stack (c) : t1 correspond à l’instant où le haut-parleur est mis en marche, t2 à 60 s après la mise en marche du haut-parleur, t3 à 240 s après la mise en marche du haut-parleur et t4 à 900 s après la mise en marche du haut-parleur.
Fig.5 : Vue d’ensemble du dispositif expérimental de visualisation du champ de température généré par effet thermoacoustique le long d’une plaque de Kapton© placée dans un champ acoustique de fort niveau. Ce dispositif permet de visualiser de façon faiblement invasive le champ de température avec une bonne résolution spatiale et une bonne résolution temporelle. Les données mesurées ont notamment permis d’accéder (via une méthode inverse mettant en oeuvre l’algorithme du gradient conjugué) aux coefficients d’échange thermique en fluide oscillant. Nouvelles architectures Outre l’étude des réfrigérateurs thermoacoustique de géométrie conventionnelle, des travaux ont été menés avec pour objectif de proposer de nouvelles architectures visant à réduire l’encombrement de ces machines. En 2003, un brevet conjoint LAUM/LMFA portant sur la proposition d’un réfrigérateur thermoacoustique compact miniature a été déposé [B1]. Le principe de l’architecture originale de ce système thermoacoustique repose sur l’utilisation de quatre sources acoustiques pour créer un champ acoustique de fort niveau où les relations de phase entre les oscillations de pression et celles de vitesse sont favorables aux phénomènes thermoacoustiques [RCL22]. L’avantage de ce type d’architecture compacte est, d’une part, le gain de place par rapport à un résonateur à onde stationnaire classique et, d’autre part, la possibilité d’optimiser le champ acoustique pour maximiser le transport de chaleur thermoacoustique. A la suite de ces travaux, une nouvelle configuration de réfrigérateur compact a été développée. Cette nouvelle architecture, de type co-axiale compacte, permet de générer dans le stack le champ acoustique optimal pour le processus thermoacoustique à partir de seulement deux haut-parleurs. Les comportements acoustique et thermique du système ont été modélisés et un premier prototype sera prochainement réalisé.
La mise en œuvre d’une géométrie de réfrigérateur thermoacoustique dite "planaire", particulièrement adaptée à l’évacuation de la chaleur des processeurs ou des cartes électroniques, est également à l’étude. Ces dispositifs planaires peuvent être de géométrie soit parallélépipédique, soit cylindrique (dans ce dernier cas le mode acoustique excité est un mode radial). Des premiers prototypes ont été réalisés, mais l’obtention d’un système réellement compact nécessite des études complémentaires, notamment celles sur des sources acoustiques spécifiques, adaptées à la géométrie des systèmes planaires. Des travaux sur de telles sources sont actuellement en cours : les sources piézo-plastiques à rayonnement latéral semblent particulièrement appropriées dans le cas d’un réfrigérateur thermoacoustique planaire. Ces sources, constituées d’un empilement de plaques piézoélectriques séparées par un entrefer, présentent une géométrie qui, d’une part, autorise une utilisation interne au résonateur et, d’autre part, se prête à l’association de deux fonctions essentielles des machines thermoacoustiques, la source pouvant elle même être le siège du phénomène thermoacoustique. Le "stack actif" qui résulterait de cette utilisation inédite de la source acoustique conduirait ainsi à une plus grande compacité du système. D’autres types de sources acoustiques sont également étudiés. En particulier, l’étude d’une membrane piézoélectrique cylindrique couplée à un résonateur thermoacoustique planaire cylindrique est en cours. Fig 6 : réfrigérateur thermoacoustique compact
Fig. 7 : Vue hors tout du réfrigérateur thermoacoustique compact de dimensions réduites
Stack instrumenté occupant la cavité du réfrigérateur compact
Ecoulements redressés
L’étude des écoulements redressés (ou « vents acoustiques ») revêt une importance particulière car ce phénomène joue un rôle majeur dans la limitation des performances des machines thermoacoustiques, alors même que sa description fine n’est accessible pour l’heu