Design of an experimental device and study of oscillating flow in a high acoustic level resonator for the characterization of non-linear phenomena: transition to turbulence and acoustic streaming
Conception d'un dispositif expérimental et étude de l'écoulement oscillant en résonateur acoustique fort niveau pour la caractérisation de phénomènes non-linéaires: transition à la turbulence et écoulements redressés
Résumé
Two of nonlinear acoustic phenomena of high acoustic level are studied in this thesis: the transition to turbulence and the streaming flow in an acoustic wave guide. The recent development of Laser measurement techniques such as Laser Doppler Velocimetry (LDV) allow to reconsider the study of these phenomena. Part of the present work consists in the adaptation of LDV to acoustic measurements in the near wall region. This makes it possible to begin thereafter the study of the transition to turbulence in a compressible oscillating fluid and the study of the inner and outer streaming especially for high acoustic levels. For this purpose, an experimental set-up was designed, carried out, instrumented and characterized on the basis of the study of the coupled electroacoustic system: source / acoustic resonator. To isolate the studied phenomena, the other non linear phenomena which can appear in the wave guide (nonlinear propagation and minor losses at geometric discontinuity) are quantified. LDV measurements of acoustic velocity and turbulence in the acoustic boundary layer make it possible to specify the evolution of the flow regimes which appear in the transition to turbulence and to determine an experimental limit between a laminar flow and a turbulent flow for our measurements. Velocity measurements of acoustic streaming are performed to study the evolution of the inner and outer acoustic streaming especially for high acoustic levels. A preliminary study was also carried out in order to study the effect of an obstacle on the Rayleigh cells so as to help understand of phenomena in thermoacoustic machines.
Deux phénomènes de l'acoustique non-linéaire à fort niveau sont étudiés lors de cette thèse: la transition à la turbulence et les écoulements redressés en guide d'onde acoustique. Le développement récent de la Vélocimétrie Laser par effet Doppler (VLD) ouvre de nouvelles voies pour l'étude de ces phénomènes. Une partie du travail de cette thèse a ainsi consisté en l'adaptation de la VLD à des mesures acoustiques en proche paroi. Ce travail préliminaire a permis de proposer par la suite l'étude de la transition à la turbulence en fluide oscillant compressible et celle des tourbillons internes et externes des écoulements redressés. Pour ce faire, un dispositif expérimental a été conçu, réalisé, instrumenté et caractérisé, impliquant en particulier une étude de l'ensemble couplé source acoustique / résonateur. Pour isoler les phénomènes à l'étude, les autres phénomènes non-linéaires qui peuvent apparaître dans le guide d'onde sont évalués. Des mesures par VLD de vitesse acoustique et de turbulence dans la couche limite acoustique permettent de préciser l'évolution des régimes d'écoulements qui interviennent dans la transition à la turbulence et de déterminer une limite expérimentale entre le régime laminaire et le régime turbulent. Des mesures de la vitesse des écoulements redressés sont effectuées pour observer l'évolution des tourbillons internes et externes des écoulements redressés, en particulier pour des écoulements redressés rapides. Une étude préliminaire est aussi effectuée en vue d'étudier l'influence d'un obstacle sur le schéma de Rayleigh pour aider à la compréhension des phénomènes présents dans les machines thermoacoustiques.
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