Comprendre les auto-oscillations dans le caloduc pulsé mono-branche

Abstract : In this thesis, scientific contributions on the understanding of the self-oscillations in the Single-Branch Pulsating Heat Pipe (SBPHP) and on the Self-Oscillating Heat Engine (SOFHE) are presented. The SBPHP is a tube of small diameter closed at one end in which a vapor bubble is followed by a liquid plug. Surprisingly, heating the closed end over a threshold leads to oscillations of the liquid plug which can be maintained indefinitely. Those self-oscillations can be used for cooling, pumping or energy harvesting when coupled to an electromechanical transducer (SOFHE). However the lack of understanding of the dynamics makes it difficult to control the self-oscillations and to understand how to design good devices. In this thesis, some fundamental questions on the dynamics are answered by a theoretical approach and experimental validation, in order to better understand the phenomenon and to provide guidelines for the design of effective devices. We first look at where the oscillations come from and why the amplitude grows during the startup. We show that the compression and expansion of the vapor coupled with the liquid plug inertia leads to a spring-mass system. We then uncover the existence of an instability mechanism due to the interplay of phase-change which acts as a positive feedback and viscous friction, which dissipates energy. The startup occurs when the phase-change coefficient is greater than the friction coefficient. Both the spring-mass system and the instability mechanism are validated experimentally. We then ask: why does the amplitude saturate during the startup? We show, using nonlinear dynamical techniques, that this is explained by a limiting mechanism produced by the nonlinearities . The system reaches a limit cycle, created through a Poincaré-Andronov-Hopf bifurcation. By controlling the phase-change and the friction, one can promote the instability mechanism and reduce the limiting mechanism such that the oscillations amplitude increases. We also study the dynamics further, from small to large oscillations amplitude. To do so, we use numerical continuation first, and then obtain accurate analytical solutions. We then consider the behavior of a SOFHE. We show how the dynamics, the power output and the efficiency are impacted by the electromechanical transducer. We find that self-oscillating harvesters (as SOFHE) differs qualitatively from forced-oscillating harvesters. Finally, we review our results from a general energy perspective. We show that the instability mechanism and the limiting mechanism can be explained by the phase-change and the friction work rate. One can increase the oscillations amplitude or the power output and the efficiency significantly by increasing the phase-change work rate or reducing the friction work rate. We conclude by suggesting that controlling the magnitude and the timing of the phase-change by engineered tubes seems a promising approach to increase the performance of devices.Dans cette thèse, des contributions scientifiques sur la compréhension des auto-oscillations dans le caloduc auto-oscillant mono-branche (SBPHP) et le moteur fluidique auto-oscillant (SOFHE) sont présentées. Le SBPHP est un tube de faible diamètre fermé à l’une des extrémités, dans lequel une bulle de vapeur est suivie d’une colonne de liquide. Étonnamment, chauffer l’extrémité fermée au-delà d’un certain seuil mène à des oscillations de la colonne de liquide qui peuvent être maintenues indéfiniment. Ces auto-oscillations peuvent être utilisées pour refroidir, pomper ou pour récupérer de l’énergie lorsque couplées à un transducteur électromécanique (SOFHE). Toutefois, parce que la dynamique est mal comprise, il est difficile de contrôler les auto-oscillations et de comprendre comment concevoir des dispositifs performants. Dans cette thèse, des réponses à des questions fondamentales sur la dynamique sont obtenues, par une approche théorique et des validations expérimentales, pour mieux comprendre le phénomène et guider la conception. Nous nous demandons d’abord d’où proviennent les oscillations et pourquoi leur amplitude augmente durant le démarrage. Nous montrons que l’inertie de la colonne de liquide couplée à la compression/ dilatation de la vapeur produit un système masse-ressort. Nous révélons ensuite l’existence d’un mécanisme d’instabilité, dû à l’interaction du changement de phase qui agit comme force de rétroaction positive et à la friction visqueuse, qui dissipe de l’énergie. Le démarrage se produit lorsque le coefficient du changement de phase est supérieur au coefficient de friction. Le système masse-ressort et le mécanisme d’instabilité sont validés expérimentalement. Nous nous demandons ensuite : pourquoi l’amplitude sature durant le démarrage ? Nous montrons, à l’aide de techniques de dynamique non linéaire, que cela s’explique par l’existence d’un mécanisme limitant produit par les non-linéarités. Le système atteint un cycle limite, produit par une bifurcation de Poincaré-Andronov-Hopf. En contrôlant le changement de phase et la friction, il est possible d’augmenter l’instabilité et de réduire la limitation et ainsi, d’augmenter l’amplitude des oscillations. Nous poussons l’étude de la dynamique plus loin, de faibles à grandes amplitudes. Pour ce faire, nous utilisons la continuation numérique d’abord, puis obtenons des solutions analytiques précises. Nous nous intéressons ensuite au comportement du SOFHE. Nous montrons comment la dynamique, la puissance et l’efficacité sont influencées par le transducteur électromécanique. Des récupérateurs auto-oscillants (comme SOFHE) diffèrent qualitativement de récupérateurs forcés. Finalement, nous revisitons nos résultats selon une approche énergétique générale. Nous montrons que le mécanisme d’instabilité et le mécanisme limitant peuvent être expliqués en fonction du travail produit par le changement de phase et par la friction. Il est possible d’augmenter significativement l’amplitude, la puissance ou l’efficacité en augmentant le travail fait par le changement de phase ou en réduisant celui fait par la friction. Nous concluons en suggérant que contrôler l’amplitude et le synchronisme du changement de phase par des tubes modifiés semble être une avenue très prometteuse pour améliorer la performance des dispositifs

Effect of evaporator length on the performance of a self-oscillating fluidic heat engine (SOFHE)

Abstract: This paper reports the effect of evaporator length on the performance of a self-oscillating fluidic heat engine (SOFHE). The SOFHE is a thermal energy harvester, when coupled with an electro-mechanical transducer that was proposed to power wireless sensors widely used in the Internet of Things (IoT). The mechanical power of the SOFHE is in the order of fraction of milliwatts, which makes it a promising power supply for a range of wireless sensors with the power requirements of 10s µW. The SOFHE consists of a vapor bubble trapped by an oscillating liquid plug acting as a piston. The working principle of the SOFHE is similar to a singlebranch pulsating heat pipe. The engine is a small tube (inner diameter of 2 mm) filled with deionized water heated from a closed end and cooled from the opposite open end. By perturbing the equilibrium of the vapor bubble-liquid plug, oscillation start and are sustained by cyclic evaporationcondensation from a thin film in the vapor bubble. To characterize SOFHE’s mechanical power as a function of the evaporator length, measurements of pressure, oscillation amplitude, and frequency are conducted. As the evaporator length decreases (from 7 cm to 1 cm), the oscillation amplitude decreases (from 5.9 mm to 1.5 mm) while the frequency increases (from 27 Hz to 52 Hz). In theory, the power of SOFHE is proportional to the square of frequency and amplitude, so the trend in power is not obvious given the opposing effects. The results show a decrease in the mechanical power from 380 µW to 180 µW, which implies that the negative effect of the amplitude decrease dominates over the increase in frequency. A fourfold decrease was also observed in the net evaporation rate (from 1027 to 242 µg/s), which explains why the amplitude decreases with the evaporator length. The research findings contribute to the design of both SOFHEs and pulsating heat pipes by suggesting that a longer heated zone improves the performance.Communication présentée lors du congrès international tenu conjointement par Canadian Society for Mechanical Engineering (CSME) et Computational Fluid Dynamics Society of Canada (CFD Canada), à l’Université de Sherbrooke (Québec), du 28 au 31 mai 2023

Comprendre les auto-oscillations dans le caloduc pulsé mono-branche

In this thesis, scientific contributions on the understanding of the self-oscillations in the Single-Branch Pulsating Heat Pipe (SBPHP) and on the Self-Oscillating Heat Engine (SOFHE) are presented. The SBPHP is a tube of small diameter closed at one end in which a vapor bubble is followed by a liquid plug. Surprisingly, heating the closed end over a threshold leads to oscillations of the liquid plug which can be maintained indefinitely. Those self-oscillations can be used for cooling, pumping or energy harvesting when coupled to an electromechanical transducer (SOFHE). However the lack of understanding of the dynamics makes it difficult to control the self-oscillations and to understand how to design good devices. In this thesis, some fundamental questions on the dynamics are answered by a theoretical approach and experimental validation, in order to better understand the phenomenon and to provide guidelines for the design of effective devices. We first look at where the oscillations come from and why the amplitude grows during the startup. We show that the compression and expansion of the vapor coupled with the liquid plug inertia leads to a spring-mass system. We then uncover the existence of an instability mechanism due to the interplay of phase-change which acts as a positive feedback and viscous friction, which dissipates energy. The startup occurs when the phase-change coefficient is greater than the friction coefficient. Both the spring-mass system and the instability mechanism are validated experimentally. We then ask: why does the amplitude saturate during the startup? We show, using nonlinear dynamical techniques, that this is explained by a limiting mechanism produced by the nonlinearities . The system reaches a limit cycle, created through a Poincaré-Andronov-Hopf bifurcation. By controlling the phase-change and the friction, one can promote the instability mechanism and reduce the limiting mechanism such that the oscillations amplitude increases. We also study the dynamics further, from small to large oscillations amplitude. To do so, we use numerical continuation first, and then obtain accurate analytical solutions. We then consider the behavior of a SOFHE. We show how the dynamics, the power output and the efficiency are impacted by the electromechanical transducer. We find that self-oscillating harvesters (as SOFHE) differs qualitatively from forced-oscillating harvesters. Finally, we review our results from a general energy perspective. We show that the instability mechanism and the limiting mechanism can be explained by the phase-change and the friction work rate. One can increase the oscillations amplitude or the power output and the efficiency significantly by increasing the phase-change work rate or reducing the friction work rate. We conclude by suggesting that controlling the magnitude and the timing of the phase-change by engineered tubes seems a promising approach to increase the performance of devices.Dans cette thèse, des contributions scientifiques sur la compréhension des auto-oscillations dans le caloduc auto-oscillant mono-branche (SBPHP) et le moteur fluidique auto-oscillant (SOFHE) sont présentées. Le SBPHP est un tube de faible diamètre fermé à l’une des extrémités, dans lequel une bulle de vapeur est suivie d’une colonne de liquide. Étonnamment, chauffer l’extrémité fermée au-delà d’un certain seuil mène à des oscillations de la colonne de liquide qui peuvent être maintenues indéfiniment. Ces auto-oscillations peuvent être utilisées pour refroidir, pomper ou pour récupérer de l’énergie lorsque couplées à un transducteur électromécanique (SOFHE). Toutefois, parce que la dynamique est mal comprise, il est difficile de contrôler les auto-oscillations et de comprendre comment concevoir des dispositifs performants. Dans cette thèse, des réponses à des questions fondamentales sur la dynamique sont obtenues, par une approche théorique et des validations expérimentales, pour mieux comprendre le phénomène et guider la conception. Nous nous demandons d’abord d’où proviennent les oscillations et pourquoi leur amplitude augmente durant le démarrage. Nous montrons que l’inertie de la colonne de liquide couplée à la compression/ dilatation de la vapeur produit un système masse-ressort. Nous révélons ensuite l’existence d’un mécanisme d’instabilité, dû à l’interaction du changement de phase qui agit comme force de rétroaction positive et à la friction visqueuse, qui dissipe de l’énergie. Le démarrage se produit lorsque le coefficient du changement de phase est supérieur au coefficient de friction. Le système masse-ressort et le mécanisme d’instabilité sont validés expérimentalement. Nous nous demandons ensuite : pourquoi l’amplitude sature durant le démarrage ? Nous montrons, à l’aide de techniques de dynamique non linéaire, que cela s’explique par l’existence d’un mécanisme limitant produit par les non-linéarités. Le système atteint un cycle limite, produit par une bifurcation de Poincaré-Andronov-Hopf. En contrôlant le changement de phase et la friction, il est possible d’augmenter l’instabilité et de réduire la limitation et ainsi, d’augmenter l’amplitude des oscillations. Nous poussons l’étude de la dynamique plus loin, de faibles à grandes amplitudes. Pour ce faire, nous utilisons la continuation numérique d’abord, puis obtenons des solutions analytiques précises. Nous nous intéressons ensuite au comportement du SOFHE. Nous montrons comment la dynamique, la puissance et l’efficacité sont influencées par le transducteur électromécanique. Des récupérateurs auto-oscillants (comme SOFHE) diffèrent qualitativement de récupérateurs forcés. Finalement, nous revisitons nos résultats selon une approche énergétique générale. Nous montrons que le mécanisme d’instabilité et le mécanisme limitant peuvent être expliqués en fonction du travail produit par le changement de phase et par la friction. Il est possible d’augmenter significativement l’amplitude, la puissance ou l’efficacité en augmentant le travail fait par le changement de phase ou en réduisant celui fait par la friction. Nous concluons en suggérant que contrôler l’amplitude et le synchronisme du changement de phase par des tubes modifiés semble être une avenue très prometteuse pour améliorer la performance des dispositifs

What limits the oscillations’ amplitude in the single-branch pulsating heat pipe

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In-sensor human gait analysis with machine learning in a wearable microfabricated accelerometer

Abstract In-sensor computing could become a fundamentally new approach to the deployment of machine learning in small devices that must operate securely with limited energy resources, such as wearable medical devices and devices for the Internet of Things. Progress in this field has been slowed by the difficulty to find appropriate computing devices that operate using physical degrees of freedom that can be coupled directly to degrees of freedom that perform sensing. Here we leverage reservoir computing as a natural framework to do machine learning with the degrees of freedom of a physical system, to show that a micro-electromechanical system can implement computing and the sensing of accelerations by coupling the displacement of suspended microstructures. We present a complete wearable system that can be attached to the foot to identify the gait patterns of human subjects in real-time. The computing efficiency and the power consumption of this in-sensor computing system is then compared to a conventional system with a separate sensor and digital computer. For similar computing capabilities, a much better power efficiency can be expected for the highly-integrated in-sensor computing devices, thus providing a path for the ubiquitous deployment of machine learning in edge computing devices

Dataset - In-sensor human gait analysis with machine learning in a wearable microfabricated accelerometer

<p>This is a dataset accompanying the paper "In-sensor human gait analysis with machine learning in a wearable microfabricated accelerometer" published in Nature Communications Engineering (2024). It contains digitized waveforms from the reference accelerometer and from the MEMS device, for 10 participants walking in four gait patterns at five possible treadmill speeds.</p&gt