Thermoacoustic studies in closed--loop resonators: measurement of acoustic streaming velocity using Laser Doppler Velocimetry, and active control of thermoacoustic amplification
Études thermoacoustiques en résonateurs annulaires: mesure des écoulements redressés par Vélocimétrie Laser Doppler, et contrôle actif de l'amplification thermoacoustique
Résumé
This research work ensues from previous works carried out at the Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine (LAUM, UMR CNRS 6613) since 1995, and aims at providing to a deeper understanding of the physical process which are involved in thermoacoustic devices. This thesis report is divided into two parts, both dealing with systems based on acoustic resonators of annular geometry. The first part of this work deals with the study of the acoustic streaming (also called “ acoustic wind ”) which is generated by large amplitude acoustic waves in annular, traveling wave, acoustic resonators. This non linear effect, which is known for several decades, has been extensively studied theoretically. However, most of the works made on this topic deals with standing wave acoustic devices, and only a few research teams have succeeded in measuring accurately the acoustic streaming velocity. The original aspect of the present work is essentially linked to the acoustic device itself, consisting of an annular waveguide coupled to two loudspeakers appropriately tuned in phase and amplitude, which sustain an acoustic field having the characteristics of a traveling wave. Analytical models are first presented, which describe the acoustic field and the acoustic streaming velocity taking place in such a device. The measurement system, based on Laser Doppler Velocimetry, is then presented. This system allows to measure simultaneously the acoustic particle velocity and the acoustic streaming velocity in the device mentioned above.The experimental results obtained show that the curvature of the resonator has an influence on the spatial distribution of acoustic streaming velocity through the cross section of the resonator. It is also verified that the acoustic streaming velocity is proportional to the square of acoustic pressure, and the measured cross–sectional average streaming velocity is in good agreement with the one predicted by the model. The second part of this work deals with the experimental study of a system which consists of an annular thermoacoustic prime– mover equipped with two loudspeakers controlled in amplitude and phase, thus allowing to control the spatial distribution of the acoustic field, with subsequent control of the thermoacoustic amplification which occurs in thermoacoustic core. The measurement of the spatial distribution of the acoustic field is used to calculate the efficiency of the engine. The results of this preliminary study demonstrate that this active control device is able, under some circumstances, to enhance significantly the efficiency of the engine.
Ce travail de recherche s'inscrit dans la continuité des travaux déjà effectués dans l'équipe thermoacoustique du Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine (LAUM, UMR CNRS 6613) depuis 1995, et vise à apporter une meilleure compréhension des phénomènes physiques qui sont mis en jeu dans les machines thermoacoustiques. Le mémoire de thèse est divisé en deux parties, concernant toutes deux des systèmes basés sur des résonateurs acoustiques à géométrie annulaire. La première partie de ce travail concerne l'étude des écoulements redressés (aussi appelés « vent acoustique ») prenant place dans les résonateurs annulaires à ondes progressives lors de la génération d'une onde acoustique de fort niveau. Ce phénomène non linéaire, connu depuis plusieurs décennies, a fait l'objet de nombreux travaux théoriques. Cependant, la grande majorité des travaux effectués sur ce sujet concerne des systèmes acoustiques à ondes stationnaires, et très peu d'équipes de recherche ont réussi à mettre en œuvre une instrumentation permettant d'accéder à la mesure fine des écoulements redressés. L'originalité des travaux menés dans le cadre de ce travail est notamment liée au dispositif acoustique développé, à savoir un résonateur annulaire dans lequel un champ acoustique peut être entretenu au moyen de deux haut-parleurs judicieusement placés le long du guide d'onde et contrôlés en phase et en amplitude afin de donner lieu à une onde acoustique de nature progressive. Un modèle analytique du champ acoustique et de l'écoulement redressé prenant place dans ce type de système est tout d'abord présenté. Une chaîne de mesure par Vélocimétrie Laser Doppler est ensuite mise au point et validée. Cette chaîne de mesure permet d'accéder simultanément à la vitesse particulaire acoustique et à la vitesse au vent acoustique dans le dispositif mentionné ci-dessus. Les résultats de mesure obtenus montrent que la courbure du résonateur a une influence sur le profil de vitesse de l'écoulement redressé sur une section du résonateur. Il est également vérifié que la vitesse moyenne sur une section du guide d'onde est proportionnelle au carré de la pression acoustique, et que les vitesses mesurées sont de plus proches de celles prévues par le modèle. La seconde partie de ce travail porte sur l'étude d'un système basé sur l'architecture d'un moteur thermoacoustique annulaire dans lequel la présence de deux haut-parleurs contrôlés en amplitude et en phase permet de modifier la structure spatiale du champ acoustique. Ces travaux préliminaires ont pour objet d'étudier la possibilité de contrôler en temps réel la distribution spatiale du champ acoustique, et par voie de conséquence l'amplification thermoacoustique prenant lieu dans le noyau thermoacoustique. Les résultats de mesure de la distribution spatiale du champ acoustique dans le guide d'onde permettent de déterminer la puissance acoustique globale disponible et par suite, le rendement de la machine. Ces mesures sont réalisées lorsque le système de contrôle actif est en fonctionnement ou non. Les résultats de cette étude préliminaire montrent que le système de contrôle actif de l'amplification thermoacoustique mis en place peut permettre, sous certaines conditions, d'augmenter significativement le rendement du générateur d'ondes.
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