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Objet

Ce travail est une contribution à l'étude des machines thermoacoustiques (T.A.) qui, avec les problèmes d'environnement, trouve une actualité nouvelle dans les domaines de la recherche et de l'industrie. Récemment [1], nous avons développé un dispositif expérimental de mesures et établi un modèle permettant la description d'un régénérateur en termes de réseaux de transmission acoustique en faisant l'analogie avec les lignes électriques. Dans une première étape, le régénérateur, n'étant soumis à aucun gradient de température, est considéré comme un quadripôle passif d'impédance par unité de longueur, Z, et d'admittance par unité de longueur, Y. Le dispositif donne accès aux pressions et aux débits acoustiques ainsi qu'aux éléments de transmission Z et Y qui permettent l'identification du régénérateur complexe à une structure simple et acoustiquement semblable. Lorsque le régénérateur est soumis à un gradient de température axial (par le biais des échangeurs chaud et froid), les variations de vitesse des parcelles fluides pendant leurs déplacements cycliques le long du gradient axial de température, créent des <<sources de débit>> le long de la ligne ; le régénérateur est considéré dans ce cas comme un quadripôle actif. L'objectif de l'étude actuelle est l'application de la méthode des réseaux pour la description des machines (moteurs ou réfrigérateurs) comportant un régénérateur actif.

Description

La machine étudiée ici est un moteur T.A. (fig. 1) qui se compose essentiellement de deux échangeurs de chaleur, l'un chaud (1) et l'autre froid (3), d'un régénérateur (2), de deux tubes résonnants (4) et (5) et d'un volume résonnant (6) permettant d'absorber l'énergie acoustique produite. Deux capteurs de pression dynamique sont placés sur les tubes (4) et (5) et un thermocouple est placé au niveau de chaque échangeur. L'expérience consiste à remplir l'ensemble d'azote gazeux, à une pression p₀ donnée, et à injecter un courant électrique dans une résistance chauffante placée dans l'échangeur chaud, l'échangeur froid étant maintenu à la température ambiante. Lorsque le gradient de température dans le régénérateur atteint une valeur critique, des oscillations de pression apparaissent et deviennent auto-entretenues à une fréquence égale à environ 86 Hz. Les signaux de pression enregistrés sont alors traités et ensuite analysés en utilisant le modèle de transmission dans une ligne. Dans ce modèle, les éléments isothermes (1, 3, 4, 5 et 6) sont représentés par des quadripôles passifs (fig. 2-a) alors que le circuit équivalent du régénérateur actif, dont un tronçon k de longueur l est représenté sur la figure 2-b, comprend une source de courant (ou de débit) E_k.q, où f_k caractérise l'intensité de la source qui est proportionnelle au gradient de température, à la fonction de dissipation thermique, f_k, et à la dilatabilité du fluide, .

Résultats et perspectives

Les figures 3 et 4 représentent respectivement la différence de température (T_c - T_f) entre l'échangeur chaud et l'échangeur froid et la différence de phase entre les capteurs 1 et 2, en fonction de la pression moyenne dans le gaz. Ces premiers résultats montrent, d'une part, l'effet de la présence d'un gradient de température sur la transmission acoustique (effet sur la différence de phase), et d'autre part un accord acceptable entre le modèle théorique et l'expérience. Ils confirment une fois de plus l'approche basée sur la théorie des réseaux [2] qui devrait permettre une description complète de la machine.

Références

[1] B. Zhao, F. Jebali et M. X. François : <<Mesure des propriétés acoustiques d'un régénérateur utilisé dans une machine thermoacoustique>>. 4ème Congrès Français d'Acoustique, (1997) Marseille.
[2] F. Guo : <<Network model on cyclic flow regenerator>>. Proc. of IECE-13, (1990) Beijing.

* Université HUAZHONG de Sciences et technologie, Wuhan, Chine.

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