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RÉSUMÉ
Le dimensionnement d'une machine thermoacoustique ne se fait pas de façon simple et systématique. En réalité, le « design » d'un dispositif est effectué plus ou moins par tâtonnements successifs, soit par analogie avec des réseaux électriques, soit en appliquant les règles de similitude avec une machine existante et de fonctionnement connu, soit en définissant a priori une structure acoustique et en optimisant certaines parties en fonction des résultats obtenus grâce à des modèles plus ou moins sophistiqués.
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Philippe NIKA : Professeur, université de Franche-Comté, CNRS
INTRODUCTION
Cet article fait suite aux deux articles « Effet thermoacoustique » [BE 8 060] et « Moteurs et refroidisseurs thermoacoustiques » [BE 8 061]. Il en utilise largement les notions et résultats théoriques. Outre ces connaissances bien spécifiques, la modélisation des systèmes thermoacoustiques passe par l'utilisation des analogies avec des réseaux électriques, quelques connaissances dans ce domaine sont donc aussi nécessaires. Le problème du dimensionnement d'une machine thermoacoustique ainsi que celui de son optimisation globale n'est pas résolu actuellement de façon simple et systématique. En réalité, le « design » d'un dispositif est effectué plus ou moins par tâtonnements successifs, soit en appliquant les règles de similitude à partir des connaissances acquises sur une machine existante et de fonctionnement connu, soit en définissant a priori une structure acoustique et en optimisant certaines parties en fonction des résultats obtenus grâce à des modèles plus ou moins sophistiqués (programme DeltaE, équations d'ondes, théorie de la thermoacoustique linéaire…). Ces modèles ont généralement été mis au point pour retrouver au mieux les résultats expérimentaux d'un prototype donné et ne possèdent donc pas vraiment de caractère universel. L'article [BE 8 063] traite de la combinaison des moteurs et récepteurs thermoacoustiques, il rapporte les récentes avancées dans la réalisation de ces systèmes.
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1. Positionnement du problème
Un tableau regroupant les notations et symboles utilisés peut être consulté à la fin de l'article.
L'analyse de la bibliographie spécialisée des systèmes thermoacoustiques (moteurs ou récepteurs) donne déjà et au cas par cas quelques règles de dimensionnement incontournables ; celles-ci concernent :
-
les contraintes dimensionnelles sur le rayon hydraulique du stack ou du régénérateur, sur leur longueur, etc. ;
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la position du milieu poreux dans le guide d'onde (par exemple, un régénérateur est généralement disposé près d'un nœud de vitesse pour limiter les dissipations visqueuses) ;
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les valeurs des impédances aérauliques (rapport de l'amplitude de pression à celle de la vitesse acoustique du fluide) du circuit acoustique à respecter pour un juste réglage des phases entre la pression et le débit du gaz ;
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les dimensions axiales des échangeurs (avec une longueur identique au déplacement crête à crête des particules fluides) ;
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la structure du système (linéaire ou en boucle et de longueur totale liée à un nombre entier de quarts de longueur d'onde) utilisant des ondes stationnaires, progressives ou mixtes.
Il n'est cependant pas possible pour le moment de vraiment optimiser un système thermoacoustique destiné à telle ou telle fonction de manière globale et entièrement efficace. La conception ou l'optimisation des systèmes thermoacoustiques reste donc encore partielle étant faite élément par élément : le stack qui est l'amplificateur de l'onde, les circuits acoustiques, le résonateur, les échangeurs thermiques, et les dispositifs technologiques supplémentaires : dispositifs anti-streaming, antiturbulence, etc.
Le cas de dimensionnement le plus difficile est certainement celui des échangeurs de chaleur ; il n'y a en effet pratiquement pas eu de recherches poussées dans ce domaine et employer les méthodes de dimensionnement traditionnelles, comme celles utilisées pour les échangeurs compacts par exemple, reste incorrect dans le cas des écoulements oscillants (cf. article Convertisseurs thermoacoustiques. Moteurs et générateurs ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SWIFT (G.W.) - Thermoacoustics : a unifying perspective for some engines and refrigerators. - Fifth draft LA UR 99 895, 29 mai 2001.
-
(2) - SWIFT (G.W.) - Thermoacoustic engines. - J. Acoust. Soc. Am., 84(4), p. 1145-1180, oct. 1988.
-
(3) - SWIFT (G.W.) - Thermoacoustic engines and refrigerators. - Physics Today, p. 22-28, juill. 1995.
-
(4) - NIKA (P.), FEIDT (M.), FRANÇOIS (M.X.), BAILLY (Y.), LANZETTA (F.) - Effets thermoacoustiques dans un régénérateur cylindrique contenant un empilement de billes. - Int. Jl. of Refrigeration, 28, p. 353-367 (2005).
-
(5) - BACKHAUS (S.), SWIFT (G.W.) - * - A thermoacoustic Stirling heat engine Nature, vol. 399, no 6734, p. 335-338 (1999).
-
(6) - BACKHAUS (S.), SWIFT (G.W.) - A thermoacoustic Stirling heat engine : detailed study. - J....
ANNEXES
DeltaE http://www.lanl.gov/thermoacoustics/DeltaE.html
SAGE http://convergecfd.com/products/sage/
DSTAR
Thermoacoustica http://amorphous.xtal.nagoya-u.ac.jp/~amorphous/thermoacoustic/thermoacoustica/thermoacoustica.html
CRISTA (LIMSI-CNRS, Bretagne, Bétrancourt, 2004) http://www.limsi.fr
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