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objet de cet article est de rappeler certaines proprié-
tés acoustiques des fluides compressibles, en mettant en
évidence leurs propriétés réactives et dissipatives liées à
la viscosité et surtout à la conduction thermique près de
parois, en particulier à l’intérieur de matériaux poreux, et
par delà d’expliquer comment faire usage de ces propriétés
en pratique pour réaliser des réfrigérateurs, des pompes
à chaleur et des générateurs thermoacoustiques.
Chaque particule de fluide (volume élémentaire dV de
gaz) située au voisinage immédiat d’une paroi échange
de la chaleur par diffusion thermique avec la paroi du
fait que sa température évolue au cours du cycle acous-
tique (l’écart instantané de température du gaz évolue
de concert avec l’écart instantané de pression acousti -
que). Ce transfert de chaleur (en va et vient entre le gaz
et la paroi au cours de chaque cycle) ne prend place que
sur une très fine couche de fluide au niveau de la paroi,
appelée couche limite thermique dont l’épaisseur, qui
dépend de la fréquence, est comprise entre 10 et 100
micronmètres dans le domaine des fréquences audibles.
Par ailleurs, du fait de la viscosité du gaz, la condition de
non glissement des particules de gaz sur la paroi est à
l’origine d’une déformation de cisaillement sur une courte
distance de la paroi appelée épaisseur de couche limite
visqueuse, qui est très voisine de l’épaisseur de la couche
limite thermique mentionnée précédemment.
Les phénomènes thermiques qui prennent place dans les
couches limites peuvent être exploités dans des matériaux
poreux à pores ouverts (empilements de plaques, tubes
capillaires ou autres), désignés ici par l’anglicisme «stack»,
pour réaliser des réfrigérateurs (ou pompes à chaleur) ou
des générateurs thermo-acoustiques («moteurs»). Le trans-
fert de chaleur continu (dans un sens donné) le long d’une
paroi du stack (suivant un processus expliqué dans la suite) se
traduit par l’établissement puis l’accroissement d’un gradient
de température parallèle à la paroi, au cours de chaque cycle
acoustique ; c’est le processus qui apparaît dans un réfrigé-
rateur. Par contre, si un gradient de température suffisam-
ment élevé est maintenu le long des parois par un couple
de sources froide et chaude placées de part et d’autre du
stack, le flux thermique est inversé et la machine thermique
fonctionne alors en générateur thermoacoustique («moteur»),
créant de l’énergie acoustique à partir d’énergie thermique
(la particule voit son volume croître autour du maximum de
pression et diminuer autour du minimum de pression) ; ce
générateur thermoacoustique peut être utilisé pour créer
l’énergie acoustique nécessaire au fonctionnement d’un réfri-
gérateur thermoacoustique (voir infra).
Machines thermoacoustiques
Guillaume Penelet,
Pierrick Lotton,
Michel Bruneau
Laboratoire d’Acoustique de l’Université
du Maine
UMR-CNRS 6613
6087, avenue Olivier Messiaen
72085 Le Mans CEDEX 09
E-mail : pierrick.lotton@univ- lemans.fr
Philippe Blanc-Benon
Laboratoire de Mécanique des Fluides
et d’Acoustique, UMR CNRS 5509
Ecole Centrale de Lyon
Centre acoustique
36, avenue Guy de Conllongue
69134 Ecully Cedex
E-mail : philippe.blanc-benon@ec- lyon.fr
Vitaly Gusev
Laboratoire de Physique de l’Etat Condensé
UMR-CNRS 6687
6087, avenue Olivier Messiaen
72085 Le Mans CEDEX 09
E-mail : vitaly.gusev@univ- lemans.fr
Résumé
L’objet de l’article est de montrer comment les propriétés acoustiques des gaz
compressibles, compte tenu de leurs effets de viscosité et de conduction thermique
au voisinage des parois de matériaux à pores ouverts (empilements de plaques ou
juxtaposition de tubes ouverts par exemple, couramment désignés par l’anglicisme
«stack»), peuvent être exploitées en pratique pour réaliser de nouveaux systèmes
thermiques : réfrigérateurs, pompes à chaleur et générateurs thermoacoustiques. Les
phénomènes physiques qui prennent place dans les couches limites au voisinage des
parois du stack sont à l’origine de flux thermiques le long des parois, qui se traduisent
par l’établissement et l’accroissement d’un gradient de température au cours de
chaque cycle acoustique ; c’est le processus de fonctionnement du réfrigérateur ou de
la pompe à chaleur. Si un gradient de température suffisamment élevé est maintenu
le long des parois du stack par un couple de sources thermiques (froide et chaude),
le flux de chaleur est inversé et la machine devient un générateur thermoacoustique
(«moteur thermique»), ce qui signifie que le système crée de l’énergie acoustique
à partir d’énergie thermique. Ce type de générateur thermoacoustique, alimenté
en énergie thermique d’origine quelconque, peut être utilisé pour fournir l’énergie
acoustique nécessaire au fonctionnement d’un réfrigérateur thermoacoustique.
Quelques systèmes thermoacoustiques et leurs applications possibles commencent à
voir le jour, mais leur optimisation soulève encore de nombreux problèmes.
L’