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Machines thermoacoustiques
Application aux machines thermoacoustiques :
réfrigérateurs, pompes à chaleur, générateurs
acoustiques (moteurs)
Les éléments de base qui constituent les réfrigérateurs ou
les générateurs thermoacoustiques (figure 2) sont agen-
cés de manière à réaliser un champ acoustique de niveau
élevé, dont la relation de phase entre écart instantané de
température et déplacement particulaire est optimale pour
favoriser les couplages entre phénomènes acoustiques et
thermiques dans les couches limites thermiques au voisi-
nage immédiat de parois solides (figure 3) : une colonne de
gaz contenue dans un guide d’onde acoustique est le siège
d’une résonance demi onde, un empilement de plaque ou
un ensemble de canaux (désignés par l’anglicisme «stack»)
est placé à l’intérieur du guide dans une zone où pression
acoustique et déplacement particulaire acoustique sont
importants (donc hors des noeuds de chacun d’eux), deux
échangeurs thermiques sont placés aux extrémités du stack,
et, dans le cas du réfrigérateur (ou pompe à chaleur), un
haut-parleur est placé à une extrémité du tube. Le stack
(par exemple une superposition de plaques minces, sépa-
rées par une distance de l’ordre de grandeur de l’épaisseur
des couches limites thermiques) occupe toute une section
du guide sur une longueur inférieure au quart de la longueur
d’onde ; il permet d’assurer une surface de contact solide/
gaz maximale et par suite d’optimiser le couplage acousto-
thermique à l’intérieur des couches limites.
Fig. 2 : Machines thermoacoustiques – schémas de principe
Fig. 3: Réfrigération thermoacoustique – principe
Les machines thermoacoustiques présentent un certain
nombre de caractéristiques qui les rendent intéressan-
tes dans diverses applications, comme leur simplicité de
mise en œuvre, leur haute fiabilité, leur efficacité ou leur
rendement de bon niveau, leur faible coût à la production,
leur neutralité en termes de pollution environnementale,
leur compacité possible, etc. En contrepartie, elles impli-
quent des phénomènes physiques complexes en raison
des niveaux acoustiques élevés générés à l’intérieur du
résonateur et des couplages avec les phénomènes ther-
miques qui prennent place. La thermoacoustique possède
déjà une longue histoire, mais elle ne concerne les machi-
nes thermiques réelles que depuis une vingtaine d’an-
nées seulement. C’est ainsi qu’aujourd’hui, pour appré-
hender les systèmes réels dans toute leur complexité,
les études portent sur les interactions entre les ondes
acoustiques fortement non linéaires et les ondes de
température (elles-mêmes non linéaires), ceci dans les
couches limites thermo-visqueuses au niveau des inter-
faces solide/gaz, aux bords du stack, dans les échan-
geurs, et dans le résonateur ; autant de phénomènes
qui interviennent dans les transports thermiques ou les
conversions d’énergie thermique/acoustique recher-
chés. Plus précisément, ces transports thermiques et
conversions d’énergie sont profondément influencés par
les phénomènes non linéaires (et leurs interactions), tels
les ondes thermiques non linéaires qui accompagnent
les ondes acoustiques sinusoïdales [15], les conducti-
vités thermiques augmentées par effets acoustiques
[16], les écoulements acoustiques redressés qui modi-
fient profondément les phénomènes dans le résonateur
par des mécanismes d’advection hydrodynamique de la
chaleur [17], les formations de turbulences au niveau des
bords du stack et des échangeurs [18], les apports de
chaleur par dissipation visqueuse [19], etc. Les études
analytiques, numériques et expérimentales menées de
par le monde pour élucider l’ensemble de ces phénomè-
nes physiques ont bien entendu pour objectifs essentiels
d’optimiser les systèmes thermoacoustiques réalisés à
l’heure actuelle comme ceux du futur. A titre d’exemple,
un moteur annulaire instrumenté pour l’étude expérimen-
tale de tous ces phénomènes et pour la validation des
modèles analytiques développés corrélativement a été
réalisé au LAUM (figure 4).
Fig. 4 : Prototype de moteur thermoacoustique annulaire (LAUM)