Comportement de bulles de cavitation dans un champ acoustique stationnaire

Ce travail porte sur l'étude expérimentale et numérique du comportement de bulles de cavitation induites par un champ acoustique stationnaire dans un guide d'onde rempli d'eau. Il est montré que la géométrie cylindrique du système utilisé dans cette étude permet aux bulles de cavitation de s'organiser en motifs particuliers. Pour de fortes amplitudes de pression acoustique, les bulles ont tendance à se regrouper en formes bien connues appelées « clusters ». Pour des amplitudes de pression acoustique modérées, des anneaux de bulles apparaissent. Cette étude met en évidence le fait que la forme de ces anneaux de bulles est directement liée à la distribution des forces de Bjerknes dans le résonateur. Il est également montré expérimentalement et numériquement que certaines bulles peuvent décrire une trajectoire orbitale autour de ces anneaux. Ce phénomène spiralant est étudié numériquement et les conditions pour lesquelles une bulle seule suit une trajectoire orbitale dans le guide d'onde sont établies. L'influence de l'amplitude de la pression acoustique et du rayon initial de la bulle est également examinée

Réflexion d'ondes de choc acoustiques faibles

Des expériences à l'échelle du laboratoire ont été mises en place pour l'étude de la propagation de choc faibles à proximité de parois rigides. Ces ondes sont générées par une source à arc électrique et une méthode optique de type Schlieren est mise en place afin de visualiser les fronts d'ondes incidents ainsi que les schémas de réflexion. Les résultats expérimentaux sont comparés aux résultats issus de simulations numériques basées sur la résolution des équations complètes de Navier-Stokes

Études thermoacoustiques en résonateurs annulaires: mesure des écoulements redressés par Vélocimétrie Laser Doppler, et contrôle actif de l'amplification thermoacoustique

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

Active control of thermoacoustic amplification in an annular engine

International audienceIn this paper, a new method is proposed to control the thermoacoustic amplification in thermoacoustic engines. This method, based on the active control of the spatial distribution of the acoustic field by means of auxiliary acoustic sources, is applied here to an annular thermoacoustic engine. Two auxiliary acoustic sources are used to tune the spatial distribution of the sound field in the engine in such a way that the thermal-to-acoustic energy conversion occurring into the thermoacoustic core is maximized. An experimental study of this device is proposed, which should be considered as a proof-of-concept study, aiming at demonstrating that the addition of auxiliary acoustic sources can be used advantageously to improve the efficiency of thermoacoustic engines. The overall device is characterized below and above the onset of thermoacoustic instability. It is demonstrated that below the onset of thermoacoustic instability, there exists an optimum phase shift between the auxiliary sources which maximizes the acoustic power available in the annular waveguide. When the device is operated above the onset of thermoacoustic instability, it is demonstrated that the appropriate tuning of the two auxiliary sources enables to improve significantly the acoustic work produced into the engine compared to the case without active control, that the additional output acoustic power is significantly larger than the input electric power supplied to the acoustic sources, and that the overall efficiency of the engine is thus significantly increased. A discussion about the applicability of this new method for the improvement of actual, high power thermoacoustic engines is also provided

Etude théorique et expérimentale d'un résonateur acoustique annulaire à ondes progressives

Cette étude porte sur la mise en \oe uvre et la modélisation d'un dispositif expérimental de résonateur acoustique annulaire où la structure du champ est contrôlée au moyen de deux haut-parleurs placés le long du guide afin d'y générer une onde plane purement progressive. Un modèle électroacoustique complet de ce dispositif, permettant de déterminer prcisment le champ acoustique au sein du résonateur est présenté et confronté aux résultats expérimentaux. Une campagne de mesure par Anémométrie Laser Doppler (ALD) sera prochainement initiée et permettra de caractériser les phénomènes non linéaires apparaissant sous certaines conditions dans un tel système, et en particulier la génération d'un écoulement redressé. Ces données expérimentales, confrontées aux modèles existants devraient permettre une meilleure maîtrise de ce phénomène dont la compréhension fine s'avère nécessaire pour l'optimisation du rendement des machines thermoacoustiques

Measurement of acoustic streaming in a closed-loop traveling wave resonator using laser Doppler velocimetry

International audienceThis paper deals with the measurement of acoustic particle velocity and acoustic streaming velocity in a closed-loop waveguide in which a resonant traveling acoustic wave is sustained by two loudspeakers appropriately controlled in phase and amplitude. An analytical model of the acoustic field and a theoretical estimate of the acoustic streaming are presented. The measurement of acoustic and acoustic streaming velocities is performed using laser Doppler velocimetry. The experimental results obtained show that the curvature of the resonator impacts the acoustic velocity and the profile of acoustic streaming. The quadratic dependence of the acoustic streaming velocity on the acoustic pressure amplitude is verified and the measured cross-sectional average streaming velocity is in good agreement with the value predicted by the theoretical estimate

Etudes thermoacoustiques en résonateurs annulaires (mesure des écoulements redressés par Vélocimétrie Laser Doppler, et contrôle actif de l amplification thermoacoustique)

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 oeuvre 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 lié 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 du 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.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 inuence 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.LE MANS-BU Sciences (721812109) / SudocSudocFranceF

Hysteresis of inertial cavitation activity induced by fluctuating bubble size distribution

International audienceno abstrac

Irregular reflection of weak acoustic shock pulses on rigid boundaries: Schlieren experiments and direct numerical simulation based on a Navier-Stokes solver

International audiencehe local interactions occurring between incident and reflected shock waves in the vicinity of rigid surfaces are investigated. Both regular and irregular — also called von Neumann — regimes of reflection are studied, via experimental and numerical simulations. Shock waves are produced experimentally with a 20 kV electrical spark source which allows the generation of spherically diverging acoustic shocks. Thebehaviour of the resulting weak acoustic shocks near rigid boundaries is visualized with a Schlieren optical technique which allows the spatial structure of the shocks to be studied. In particular, the evolution of the Mach stem forming above a flat surface is examined, and its height is observed to be directly linked to the angle of incidence and the pressure amplitude of the incident shock. The propagationof an acoustic shock between two parallel rigid boundaries is also studied. It is shown that the strong interactions between the Mach stems emerging from the two boundaries can lead to a drastic modification of the morphology of the acoustic field in the waveguide. Experimental results are compared to numerical results obtained from high-order finite-difference based simulations of the 2D Navier-Stokes equations. The good agreement between the experimental distribution of the acoustic field and numerical results suggests that numerical simulations are promising as a predictive tool to study nonlinear acoustic propagation of acoustic waves in complex geometrical configurations with rigid boundaries

Régulation temporelle de l'activité de cavitation ultrasonore : application à la thrombolyse ultrasonore extracorporelle

Les ultrasons focalisés permettent d’effectuer des traitements thérapeutiques ciblés dans le corps humain. Dans le domaine des applications cardiovasculaires il a notamment été montré qu'ils pouvaient détruire des caillots sanguins susceptibles de se former dans le système vasculaire. Dans ce cas, les mécanismes de thrombolyse sont liés à la cavitation ultrasonore, dont le caractère fortement aléatoire pose des problèmes de maîtrise du traitement envisagé. Un meilleur contrôle de l’activité de cavitation ultrasonore constitue donc une voie incontournable pour envisager le développement d’un dispositif thérapeutique. Dans le cadre de cette étude, un système permettant le contrôle temporel de la cavitation ultrasonore en régime pulsé (période 250 ms, rapport-cyclique 0.1) a été développé. Ce système utilise d'une part un transducteur focalisé (550 kHz) pour générer le champ acoustique et d'autre part un hydrophone permettant l'écoute de la cavitation, avec une boucle de rétroaction réalisée à l'aide d'un circuit logique programmable (FPGA) qui permet d'atteindre des temps de bouclage de 0.3 ms. Le dispositif de régulation a été caractérisé dans une cuve d’eau dégazée, et permet d’atteindre un niveau de cavitation souhaité de manière reproductible et avec une bonne stabilité temporelle. L'application de ce dispositif à la thrombolyse ultrasonore a été testée in-vitro sur des caillots de sang humain. En comparaison des essais réalisés en boucle ouverte, les essais préliminaires en boucle fermée ont montré une excellente efficacité thrombolytique, et une très bonne reproductibilité lorsque l'activité de cavitation est suffisante pour obtenir une efficacité de 70 % ou plus. La distribution des tailles de fragments libérés a également été examinée afin d'identifier les paramètres permettant de limiter la libération de gros fragments susceptibles de provoquer un autre accident vasculaire en aval