Conception et ralisation dun dmonstrateur dinstabilits thermoacoustiques le

Conception et réalisation d'un démonstrateur d'instabilités thermo-acoustiques: le tube de Rijke Membres de l’équipe : CACLIN Pierre DOMINGUES Joël GUY Aurélien LAOU Philippe XIAO Qi Soutenance intermédiaire Vendredi 11 Avril Tuteurs : Olivier Marsden Marie Annick-Galland 1

Conception et réalisation d'un démonstrateur d'instabilités thermo-acoustiques Contexte et Objectifs I. Présentation du tube de Rijke A. Présentation B. Modélisation C. Caractéristiques II. Choix d’un système de chauffage A. Chauffage résistif B. Chauffage par induction C. Choix III. Réalisation technique A. Support B. Tube IV. Organisation A. Bilan B. Prix 2

Des instabilités acoustiques 3

Contexte et Objectifs du Projet Étude des instabilités de combustion Rôle important dans plusieurs applications: • Aéronautique • Aérospatiale • Brûleurs faible pollution Recherches actives dans ce sujet, applications de pointe (statoréacteurs) 4

Schéma simple 5

Objectifs du PE Construire un démonstrateur d’instabilités thermo-acoustiques pour sensibiliser les étudiants à ce phénomène Simplement modélisable Faire comprendre les mécanismes physiques responsables des instabilités thermo-acoustiques Illustrer le contrôle actif Démonstrateur assez flexible pour éventuellement être utilisé lors d’un master recherche 6

Objectifs du PE Le tube de Rijke a été choisi par le commanditaire (département MFAE) Parce qu'il montre le phénomène, en étant simplement modélisable Instabilités thermo-acoustiques sans réactions chimiques Problème unidimensionnel et modèle linéaire Les instabilités sont apparentes Le cahier des charges demande une certaine modularité 7

Conception et réalisation d'un démonstrateur d'instabilités thermo-acoustiques Contexte et objectifs I. Présentation du tube de Rijke A. Présentation B. Modélisation C. Caractéristiques II. Choix d’un système de chauffage III. Réalisation technique IV. Organisation 8

Le tube de Rijke 9

Principaux éléments Tube en verre Grille de chauffage Chalumeau 10

Principe de fonctionnement Superposition de deux phénomènes, en fait liés: Etablissement d’un mouvement de convection Amplification d’une instabilité Ø création d’une onde stationnaire dans le tube 11

La convection Un mouvement de convection est créé: • Dilatation par chauffage • Baisse de masse volumique • Evacuation de l’air chaud par poussée d’Archimède Apport moyen de chaleur: Q 0 Mouvement de convection 12

Principe de fonctionnement Acoustique : on étudie des perturbations Apport de chaleur instationnaire au niveau de la grille En réalité, l’apport est en: Q(t) = Q 0 + Q’. sin(ωt) Apport « différentiel » de chaleur, algébrique Apport instantané de chaleur Apport moyen 13

Ondes acoustiques dans le tube Profil de pression p’(t) représente en réalité la surpression p(t) = p 0 + p’(t) Pression atmosphérique Surpression acoustique Nœud de vibration 14

Synchronisation avec la surpression acoustique: Au niveau de la grille, apport en: Q(t) = Q 0 + Q’. sin(ωt) • Absorption différentielle de chaleur • Dépression différentiellep(t) Apport de -> Augmentation de la chaleur +Q’ dépression 9 • Apport différentiel de chaleur • Surpression p(t+T/2) -> Augmentation de la surpression. Absorption de chaleur –Q’ 15

Schéma du modèle du dispositif 16

Critère de stabilité de Rayleigh Variation d’énergie acoustique dans le tube: Instabilités acoustiques → > 0 Conséquence : p’ et qe’ vibrent en phase. 17

Influence du chauffage: Modélisation par un fil chauffant : → importance des caractéristiques de notre système de chauffage (βω , τ) (sur quoi peut-on jouer ? À mettre en évidence) Influence de la position de la grille : > 0 → sin(2 kl) > 0 → l < L/2 avec un maximum pour Pour le fondamental : l=L/4 (avec , n entier) (avec m mode de vibration) 18

Cahier des charges du tube de Rijke - Durée de fonctionnement trop faible sur le tube déjà existant : mise en place d’un système de chauffage continu. Partie du tube Critère Fonctionnement continu Système de chauffage Puissance de chauffe réglable Déplaçable Support de grille/grille Résistant aux hautes températures 19

Cahier des charges : suite Partie du tube Critère Géométrie fixée : 800 mm de hauteur et 60 mm de diamètre Tube Transparence Résistant aux hautes températures Support de tube Maintenir le tube de manière à assurer la sécurité de l’ensemble du dispositif Rotation du tube 20

Conception et réalisation d'un démonstrateur d'instabilités thermo-acoustiques Contexte et Objectifs I. II. III. IV. Présentation du tube de Rijke Choix d’un système de chauffage A. Chauffage résistif B. Chauffage par induction C. Choix Réalisation technique Organisation 21

II. Choix du système de chauffage Par quoi remplacer le chauffage actuel ? 22

Chauffage par induction Ici, on génère des courants de Foucault dans la grille. • Dispositif : solénoïde autour de la grille, alimenté en alternatif de fréquence f. • Courants induits dans la grille proportionnels à f donc intérêt d’augmenter f. 23

Chauffage par induction Problème : courants se délocalisent à la périphérie de la grille avec l’augmentation de la fréquence : 24

Chauffage par induction Forme de la grille à adapter en conséquence : on va utiliser des anneaux. Concentriques : Problème d’homogénéité du chauffage : utilisation d’anneaux excentrés : 25

Conséquences sur le dispositif Forme du tube imposée : circulaire. Pas de fils dans le tube. Nécessité d’une cage de Faraday pour assurer la sécurité électromagnétique. Difficultés d’alimentation de l’inducteur : courant et fréquence spécifiques (passer par un onduleur)… 26

Le chauffage résistif Schéma de base du système de chauffage 27

Choix du système de chauffage Avantages Chauffage résistif Chauffage par induction Coût Pas besoin de fils jusqu'à la grille Pas de génération de champs Pas de perçage dans le tube magnétiques néfastes à l’électronique Inconvénients Géométrie carrée souhaitable Cage de Faraday nécessaire (manipulation , visualisation et Amplificateur de puissance et un onduleur nécessaires 28

Les matériaux du support Support céramique usinable Usiné par le fournisseur Usiné par les services techniques ? Support métallique 29

Ce que nous avons décidé La céramique usinable Le support métallique n’est cependant pas à négliger car il est moins fragile 30

Disposition du fil sur le support Fil enroulé sur lui même disposé sur le support 31

Conception et réalisation d'un démonstrateur d'instabilités thermo-acoustiques Contexte et Objectifs I. Présentation du tube de Rijke II. Choix d’un système de chauffage III. IV. Réalisation technique A. Support B. Tube Organisation 32

Le support Conception du support repoussée au début du projet. Le support pouvait être réalisé simplement à l’aide de différents éléments utilisés en TP de chimie : Burette, Noix , Pinces, … On avait d’abord pensé à n’usiner que certaine pièces Problème majeur : La taille du tube que nous souhaitons réaliser Solution : conception d’un Montage en profilés d’aluminium 33

Conception d’un tube en profilé alu Rappel du cahier des charges Rotation du tube pour montrer la nécessité de la convection Grille déplaçable Robustesse du montage 34

Première solution envisagée Fournisseur : HPCeurope 35

Conception pratique du tube Premier système simple : - Plaques collées - 4 équerres vissées aux plaques, les maintiennent en place. Problème : usinage dans les plaques, fragilisation du verre. 36

Conception pratique du tube Deuxième solution : 4 gouttières, avec plaques encastrées dans les « rigoles » Avantage : plaques interchangeables, pas d’usinage… 37

Conception et réalisation d'un démonstrateur d'instabilités thermo-acoustiques Contexte et Objectifs I. Présentation du tube de Rijke II. Choix d’un système de chauffage III. Réalisation technique Conclusion 38

Déroulement (CONCLUSION) Actuellement: Conception du système de chauffage à finaliser Conception du tube du support quasiment achevée Commandes bientôt Ensuite Construction tube Etude du système de contrôle actif 39