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

Conception et réalisation d'un démonstrateur d'instabilités thermo-acoustiques Intro (contexte, objectifs ) Présentation du tube de Rijke Présentation Modélisation Caractéristiques Choix d’un système de chauffage Chauffage résistif Chauffage par induction Choix Réalisation technique Support Tube Organisation Bilan Prix

Des instabilités acoustiques

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

Objectifs du PE Construire un démonstrateur d’instabilités thermo-acoustique 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

Objectifs du PE Instabilités thermo-acoustiques: Instabilités acoustiques et réactions chimiques Tube de Rijke: Instabilités acoustiques Unidimensionnel Modèle linéaire

Conception et réalisation d'un démonstrateur d'instabilités thermo-acoustiques Intro (contexte, objectifs ) Présentation du tube de Rijke Présentation Modélisation Caractéristiques Choix d’un système de chauffage Réalisation technique Organisation

Le tube de Rijke

Principaux éléments Tube en verre Grille de chauffage Chalumeau

Principe de fonctionnement Acoustique : on étudie des perturbations Apport de chaleur: (à qui ? De qui ?) Au niveau de la grille, apport en: Q(t) = Q0 + Q’.sin(ωt) Apport instantané de chaleur Apport moyen Apport « différentiel » de chaleur, algébrique

La convection (à mettre avant le principe) 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: Q0 Mouvement de convection

Ondes acoustiques dans le Tube Profil de pression p’(t) p’(t) représente en réalité la surpression p(t) = p0 + p’(t) Pression atmosphérique Surpression acoustique Nœud de vibration

Synchronisation avec la surpression acoustique: Au niveau de la grille, apport en: Q(t) = Q0 + Q’.sin(ωt) p(t) Apport de chaleur +Q’ Apport différentiel de chaleur Surpression -> Augmentation de la surpression p(t+T/2) Absorption de chaleur –Q’ Absorption différentielle de chaleur Dépression différentielle -> Augmentation de la dépression

Schéma du modèle du dispositif

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

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(2kl) > 0 (avec , n entier) → l < L/2 avec un maximum pour (avec m mode de vibration) Pour le fondamental : l=L/4

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 Système de chauffage Fonctionnement continu Puissance de chauffe réglable Support de grille/grille Déplaçable Résistant aux hautes températures

Cahier des charges : suite Partie du tube Critère Tube Géométrie fixée : 800 mm de hauteur et 60 mm de diamètre 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

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

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.

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

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 :

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)…

Le chauffage résistif Schéma de base du système de chauffage

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

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

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

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

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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

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

Première solution envisagée Fournisseur : HPCeurope

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.

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

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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

Budget Principaux éléments de budget: Verres: 260 Eur. TTC Système de chauffage: Céramiques: 150 Eur Divers: 50 Eur. Support: 130 Eur.