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RÉSUMÉ
Discipline assez récente au carrefour de la thermodynamique, de la thermique et de l’acoustique, la thermoacoustique permet d’étudier les interactions complexes entre un fluide en écoulement oscillant et une paroi solide présentant une répartition de température. Une caractéristique des systèmes thermoacoustiques réside dans le fait qu'ils ne nécessitent très peu d’éléments en mouvement. Pour cette raison, ils présentent un intérêt indéniable sur des convertisseurs classiques. Ainsi, cet effet est utilisé dans de nouvelles générations de convertisseurs d'énergie, pour le refroidissement avec pompage de la chaleur d'une source froide vers un puits chaud, ou en moteur avec conversion de la chaleur en énergie mécanique sous forme d'énergie acoustique.
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Philippe NIKA : Professeur, université de Franche-Comté, CNRS
INTRODUCTION
La thermoacoustique est une discipline relativement jeune au carrefour de la thermodynamique, de la thermique et de l'acoustique. Elle offre des effets très variés basés sur l'interaction entre un fluide en écoulement oscillant et une paroi solide présentant une répartition de température donnée. Ces effets complexes trouvent déjà des applications concrètes dans le refroidissement et la liquéfaction des gaz ainsi que dans de nouvelles générations de convertisseurs d'énergie thermique en énergie électrique de la même classe que les machines de Stirling à apport de chaleur externe. Une caractéristique des systèmes thermoacoustiques réside dans le fait qu'ils ne nécessitent pas ou peu de pièces en mouvement, présentant de ce fait un intérêt indéniable sur des convertisseurs classiques.
Cet article est le premier d'une série consacrée à la thermoacoustique ; les suivants sont :
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l'article [BE 8 061] consacré aux moteurs et générateurs thermo- acoustiques;
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l'article [BE 8 062] qui traite du dimensionnement et de la modélisation des systèmes thermoacoustiques ;
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l'article [BE 8 063] qui décrit les réalisations et combinaisons de moteurs et refroidisseurs thermoacoustiques.
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3. Théorie linéaire de Rott et Swift : flux d'enthalpie dans le stack/régénérateur
3.1 Équations des vitesses et températures en fonction de la pulsation de l'onde
Ce sont les travaux de Rott [1] [2], Swift [3] [4] [5] et d'autres [6] [7] [8] [9], qui ont permis de mieux comprendre l'interaction entre un fluide en écoulement oscillant et une paroi présentant un gradient de température axial, susceptible, soit de dissiper l'énergie mécanique en chaleur, soit au contraire de la renforcer en convertissant de la chaleur en énergie mécanique. Comme cela est indiqué plus haut, la limite entre les deux comportements (moteur ou générateur) est définie par une valeur critique du gradient de température dans la paroi du stack qui remplit le rôle de la paroi considérée plus haut. Cette valeur critique est liée à l'amplitude de variation de la température du gaz sous l'effet de l'onde de compression.
On définit, pour les écoulements oscillants, l'épaisseur de la couche limite thermique dans le fluide au voisinage des parois limitant...
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Théorie linéaire de Rott et Swift : flux d'enthalpie dans le stack/régénérateur
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ROTT (N.) - Thermoacoustics. - Advances in applied Mechanics, vol. 20, p. 135-174 (1980).
-
(2) - ROTT (N.) - Damped and thermally driven acoustic oscillations in wide and narrow tubes. - Zett. Fur. Angewandte Mathematic und physik, no 20, p. 230-293 (1969).
-
(3) - SWIFT (G.W.) - Thermoacoustics : a unifying perspective for some engines and refrigerators. - Fifth draft LA UR 99 895, 29 mai 2001.
-
(4) - SWIFT (G.W.) - Thermoacoustic engines. - J. Acoust. Soc. Am., 84(4) , oct. 1988.
-
(5) - SWIFT (G.W.) - Thermoacoustic engines and refrigerators. - Physics Today, 22-28 juil. 1995.
-
(6) - WHEATLEY (J.), HOFLER (T.), SWIFT (G.W.), MIGLIORI (A.) - Understanding some simple phenomena in thermoacoustics with applications to acoustical heat engines. - Am. J. Phys., 53 (2), p. 147-162, fév....
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