Étude théorique et expérimentale d'un réfrigérateur thermo-acoustique «compact».

Classical thermoacoustic refrigerators consist of an acoustic source coupled to a resonator filled with a fluid. A stack of plates (or any equivalent material), which is the heart of the thermoacoustic process, is set in the cavity. Interactions between gas and plates generate a transformation of acoustic energy into thermal energy which lead to a thermoacoustic heat flow and induce a temperature gradient along the stack. During the last fifteen years, research in thermoacoustic has been developed because of qualities and possible applications of the refrigerators, in particular the heat transfer from microelectronic components, and many prototypes, mainly standing waves device, has been built. The object of this work is, on the one hand, to study analytically and experimentally a new design of thermoacoustic refrigerator and, on the other hand, to propose a model of the transient behaviour of the temperature in the stack of classical thermoacoustic refrigerator.The existence of an optimal acoustic field which is different from the one existing in a classical standing wave refrigerator has been first shown. The idea to generate this optimal acoustic field led to design a reduced size refrigerator with four sources, without reduction of performance. This refrigerator is called "compact" because these dimensions are brought back to those of the stack. Consequently, this new kind of refrigerator is studied analytically and experimentally. Thus, a model of the acoustic field in a compact device as a function of the electric power of the sources, is proposed. The characterization in term of the velocity field (measured by Velocimetry Laser Doppler and Particle Image Velocimetry), and of temperature of a decimetric device, in some points of operation, is then presented. A more complex thermal behaviour than that obtained in a standing waves device is observed. This behaviour can reduce the performance of the system, so improvements are proposed for its miniaturization. Finally, a model of the behaviour during the transient regime in a classical thermoacoustic refrigerator is presented. This model conveys a quantitative interpretation of the role played by the heat flux on the behaviour of an experimental prototype of refrigerators.Les réfrigérateurs thermoacoustiques classiques sont constitués d'une source acoustique couplée à un résonateur à ondes stationnaires dans lequel est disposé un empilement de plaques (ou tout autre matériau poreux), qui est le coeur du processus thermoacoustique. L'interaction entre les ondes acoustiques et thermiques au voisinage des plaques conduit à la création d'un flux de chaleur thermoacoustique et d'un gradient de température le long de l'empilement. L'étude de tels systèmes thermoacoustiques fait l'objet des travaux de la thèse, dont l'objectif est double. D'une part, dans le cadre des études menées sur la miniaturisation des systèmes thermoacoustiques, avec pour objectif l'évacuation de la chaleur des composants électroniques, une nouvelle architecture de réfrigérateurs thermoacoustiques est étudiée. Ce réfrigérateur, qui est dit "compact" car ses dimensions sont ramenées à celle de l'empilement, offre la possibilité de générer indépendamment les champs de vitesse particulaire et de pression acoustique à partir de quatre sources sonores. Ainsi, un champ acoustique optimal, qui est différent de celui obtenu dans un réfrigérateur à ondes stationnaires, peut être généré dans ce système. Ce type de réfrigérateur est étudié analytiquement et expérimentalement. Une modélisation du champ acoustique dans l'empilement d'un système compact en fonction des débits des sources, ou en fonction des tensions électriques fournies à ces sources, est proposée. La caractérisation expérimentale en terme de champ de vitesse particulaire (mesuré par Vélocimétrie Laser Doppler et Vélocimétrie par Images de Particules), et de température d'une maquette décimétrique, pour différents points de fonctionnement, est ensuite présentée. Un comportement thermique, plus complexe que celui obtenu dans un système à ondes stationnaires, est observé. Ce comportement pouvant se traduire par une diminution de ses performances, des améliorations du système sont proposées en vue de sa miniaturisation. D'autre part, dans le cadre des études menées en thermoacoustique afin d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques qui prennent place dans les systèmes, un modèle analytique du comportement en régime transitoire des réfrigérateurs thermoacoustiques classiques est mis en place. Ce modèle permet d'obtenir l'évolution temporelle de la température en tous points de l'empilement en prenant en compte les effets du flux de chaleur thermoacoustique le long de l'empilement de plaques, du flux de chaleur par conduction retour dans les plaques de l'empilement et dans le fluide, des pertes thermiques à travers les parois du tube, de l'échauffement dû aux frottements visqueux dans l'empilement, et des pertes thermiques à chacune des extrémités de l'empilement. Ce modèle est utilisé pour interpréter qualitativement le comportement transitoire d'un prototype de réfrigérateurs observé lors d'études expérimentales antérieures et permet en particulier d'interpréter les rôles joués par les différents flux de chaleur mis en jeu

To predict a thermoacoustic engine's limit cycle from its impedance measurement

International audienc

Do it yourself: make your own thermoacoustic engine with steel wool or rice

International audienceThe construction of two demonstrators of thermoacoustic engines is proposed in this paper, using common material from hardware stores. A brief discussion about the thermoacoustic effect highlights the main parameters controlling the generation of self-sustained acoustic oscillations from heat. The construction of the two tabletop demonstrators is then described in detail, so that they can be reproduced with minimum equipment (rice, steel wool, and other hardware easy to find in hardware stores). Experimental results are also presented for both engines and a discussion about their use for teaching purposes is provided

Etudes analytiques et expérimentales d'un réfrigérateur thermoacoustique compact

National audienceLe champ acoustique dans un réfrigérateur thermoacoustique à ondes stationnaires, qui est fixé par la condition de résonance, est relativement favorable au processus thermoacoustique, mais différent du champ acoustique optimum. C'est la raison pour laquelle un réfrigérateur thermoacoustique à quatre sources, dit "compact" a été imaginé : il offre l'avantage de pouvoir générer indépendamment des champs de pression acoustique et de vitesse particulaire dans l'empilement de manière à optimiser le processus thermoacoustique. Son fonctionnement et les résultats expérimentaux obtenus sur une première maquette sont présentés ici. Ces résultats montrent que le champ acoustique est à caractère bidimensionnel ; les cartographies de température sont donc plus complexes que celles obtenues dans un réfrigérateur de thermoacoustique classique. Cette complexité peur se traduire par une diminution des performances du système ; par suite en conclusion de cette étude des améliorations sont proposées

Modélisation simplifiée d'un auto-oscillateur thermoacoustique forcé par une source auxiliaire

National audienceLe développement d'applications des moteurs thermoacoustiques requiert de pouvoir caractériser leurs performances sur deux points : d'une part, le déclenchement de l'instabilité ; d'autre part, la prédiction de la saturation du régime oscillant. Le premier point est fructueusement résolu par la théorie linéaire de la thermoacoustique. Le second est le sujet de cette étude qui propose le développement d'un modèle analytique simplifié traitant le problème thermoacoustique comme deux sous-problèmes couplés : le comportement acoustique d'un prototype est modélisé par une approche équivalente à constante localisée ; les transferts thermiques complexes sont discrétisés par une approche aux différences finies, prenant en compte les différents phénomènes non linéaire responsables du comportement de la machine par leur impact sur la distribution de température dans le noyau thermoacoustique. Les prédictions du modèle sont confrontés aux résultats expérimentaux obtenus sur un prototype de générateur thermo-acousto-électrique équipé d'une boucle de rétro-contrôle électroacoustique

Simplified modeling of a thermo-acousto-electric engine forced by an external sound source

International audienceThermoacoustic wave-generators are usually designed and optimized using software tools based on the linear thermoacoustic theory. These tools enable to predict the operating point of a thermoacoustic engine from the balance between the thermoacoustic amplification process and the numerous nonlinear effects saturating wave amplitude growth, the latter effects being very difficult to describe properly. A non exhaustive list of these effects includes (apart from the thermoacoustic heat pumping accompanying wave amplification) different kinds of streaming, nonlinear acoustic propagation or aerodynamical and thermal entrance effects. These nonlinear effects are responsible for both dissipation of acoustic power and perturbations of the temperature field in the thermoacoustic core, that work together to limit the overall performances of thermal-to-acoustic conversion. Therefore, the development of adequate simulation tools is still needed to describe the high level of complexity of the processes involved above the onset of thermoacoustic instability. Direct numerical simulation seems to be the only way to reproduce quantitatively the effects mentioned above, but it is still limited by large computation times inherent to the complicated physics and multiple time and space scales involved in the description of thermoacoustic engines. Simplified analytical models can help in getting a deeper physical insight about the processes involved, but they are also based on substantial approximations. In this study, we use a simplified modeling of thermoacous-tic engines to help understanding recent experimental observations dealing with the external forcing of thermoacoustic oscillations

Theoretical study of a thermo-acousto-electric generator equipped with an electroacoustic feedback loop

International audienceA simplified model of a Stirling-type thermoacoustic engine coupled to a resonant mechanical system is presented. The acoustic network is presented as its temperature-dependent lumped element equivalent, and the nonlinear effects involved in such engines are accounted for in a nonlinear heat equation governing the temperature distribution through the thermoacoustic core. The low-order model is sufficient to capture the behavior of the engine, both in terms of stability and dynamic behavior

Hysteretic behavior induced by an electroacoustic feedback loop in a thermo-acousto-electric generator

International audienceAn active control method of the spatial distribution of the acoustic field is applied in a thermo-acousto-electric generator. An auxiliary acoustic source is used to force the self-sustained thermoacoustic oscillation in order to control the thermoacoustic amplification. The auxiliary source consists of a loudspeaker, located inside the loop-tube close to the main ambient heat exchanger, and supplied with a delayed signal through an electric feedback loop, comprising a phase-shifter and an amplifier, connected to a reference microphone. Experiments are performed on a prototype engine working with air at a static gauge pressure of 5 bars. Experimental results demonstrate how it is possible to tune the acoustic oscillations in order to increase the global performance of the generator, compared to the case without control, as well as the existence of a hysteretic behavior induced by the electroacoustic feedback loop itself, which leads to a discrepancy between the onset heat input and the offset one

Experimental and theoretical analysis of a small scale thermoacoustic cooler driven by two sources

International audienceBeing concern by scaling down thermoacoustic coolers to provide practical solutions for thermal heat management, especially in microcircuits, a current architecture has been proposed recently [Acta Acustica 97(6), 926-932, November 2011]. A non-resonant small cavity fitting the stack dimensions is driven by two loudspeakers coupled through the stack. One of them creates the acoustic pressure field inside the stack while the other one creates the particle velocity field. This cooler has both advantages of being compact and flexible, as the acoustic field in the stack can be controlled to access the optimal field which optimizes thermoacoustic effects. Moreover, the working frequency is not related to resonance conditions, therefore either a quasi-isothermal stack (regenerator) or a quasi-adiabatic stack can be used. Experimental results, which validates theoretical ones [1], are presented to illustrate the thermal behaviour of a stack and a regenerator in this device. The performances compared with those of classical devices having equivalent stack (standing wave or Stirling devices) show the potentiality of this compact thermoacoustic cooler

Nonlinear temperature field near the stack ends of a standing-wave thermoacoustic refrigerator

International audienceNonlinear temperature field near the stack ends of a standing-wavethermoacoustic refrigeratorArganthaël Bersona,⇑, Gaëlle Poignandb, Philippe Blanc-Benonc, Geneviève Comte-BellotcaDepartment of Chemistry, University of Durham, South Road, Durham DH1 3LE, United KingdombLaboratoire d’Acoustique de l’Université du Main, UMR CNRS 6613, Avenue Olivier Messiaen, 72085 Le Mans Cedex 9, FrancecLaboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique, UMR CNRS 5509, École Centrale de Lyon, 36 avenue Guy de Collongue, 69134 Ecully-Cedex, Francearticle infoArticle history:Received 4 January 2011Received in revised form 27 May 2011Available online 28 June 2011Keywords:ThermoacousticsTemperature-fluctuation measurementsConstant-voltage anemometryOscillating flowsabstractThe nonlinear temperature field in the vicinity of the stack of a standing-wave thermoacoustic refriger-ator is investigated both theoretically and experimentally. First, the problem is addressed theoretically bya one-dimensional nonlinear model that predicts the generation of thermal harmonics near the ends ofthe stack. The model relies on a relaxation-time approximation to describe transverse heat transferbetween the stack walls and the working fluid. It extends a previous model proposed by [Gusev et al.,Thermal wave harmonics generation in the hydrodynamical heat transport in thermoacoustics, J. Acoust.Soc. Am. 109 (2001) pp. 84–90], by including the effect of axial conduction on temperature fluctuations.Second, the nonlinear temperature field is investigated experimentally. The amplitude of temperaturefluctuations behind the stack at the fundamental frequency and second harmonic are measured usingcold-wire anemometry. The measurements rely on a procedure recently developed by the authors thatallows a full correction of the thermal inertia of the sensor. Experimental results are in good agreementwith the predictions of the model. The generation of thermal harmonics behind the stack is thus vali-dated. The influence of the Péclet number on the thermal field, which depends on the diffusivity of theworking fluid and on the acoustic frequency and pressure level, is also demonstrated