Orientadores: José Roberto de França Arruda, Pierrick Lotton, Guillaume Penelet

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica

Resumo: O projeto de um motor termoacústico (TA) se torna viabilizado à medida da con?abilidade de sua previsão de desempenho. Uma tentativa para o êxito nessa previsão vem do conhecimento da matriz de transferência do núcleo termoacústico (NTA), que pode ser explorada em modelos analíticos para o...

Resumo: O projeto de um motor termoacústico (TA) se torna viabilizado à medida da con?abilidade de sua previsão de desempenho. Uma tentativa para o êxito nessa previsão vem do conhecimento da matriz de transferência do núcleo termoacústico (NTA), que pode ser explorada em modelos analíticos para o motor considerado. A matriz de transferência por si só pode ser obtida ou por modelagem analítica ou medições acústicas. As últimas, no entanto, consistem em uma opção interessante para se evitar considerações termo-físicas ou geométricas de estruturas complexas, uma vez que o NTA é tratado como uma caixa preta. No entanto, antes de se prosseguir com a abordagem experimental, uma solução analítica é apresentada, apenas para ?ns de comparação, mas que contempla somente os casos de materiais de geometria simples, tal como um catalisador de cerâmica, por exemplo. Em relação à abordagem experimental, três diferentes métodos são apresentados. Um método clássico de duas cargas é aplicado em duas con?gurações distintas e, além disso, um método alternativo com base em medições de impedância é aqui desenvolvido e aplicado. Uma comparação entre estas três abordagens é realizada por meio de uma avaliação de performance experimental e também por uma análise de sensibilidade, de modo a se conhecer as perspectivas de viabilidade de cada método. Quatro diferentes materiais são testados, cada um sendo usado como o elemento poroso colocado no interior do NTA, que é por sua vez submetido a diferentes regimes de gradiente de temperatura. Estes materiais são escolhidos de tal maneira a cobrir uma vasta gama de porosidades compreendidas entre esperados stack puro e regenerador puro. O método alternativo foi bem sucedido no seu objectivo para todos os materiais, ao contrário do método clássico de duas cargas. Desta forma, as matrizes de transferência medidas são aplicadas em uma modelagem dedicada a prever tanto a frequência operacional como o ganho de ampli?ca- ção TA intrínseca. Tais parâmetros são otimizados em simulações para dois modelos de motores TA básicos, um de onda estacionária e outro progressiva, variando-se parâmetros geométricos dos componentes anexos ao NTA. Uma análise comparativa mostra em que condições o limiar TA é esperado ou não para cada material, e também revela as limitações do aparato experimental no que se refere às dimensões adequadas para melhor se ajustarem às investigações de desempenho

Abstract: The design of a thermoacoustic (TA) engine is improved towards the reliability of its performance prediction. An attempt to succeed in this prediction comes from the knowledge of the TA core (TAC) transfer matrix, which can be exploited in analytical models for the given engine. The...

Abstract: The design of a thermoacoustic (TA) engine is improved towards the reliability of its performance prediction. An attempt to succeed in this prediction comes from the knowledge of the TA core (TAC) transfer matrix, which can be exploited in analytical models for the given engine. The transfer (T) matrix itself may be obtained either by analytical modeling or acoustic measurements. The latter consist in an interesting option to avoid thermo-physical or geometrical considerations of complex structures, as the TAC is treated as a black box. However, before proceeding with the experimental approach, an analytical solution is presented for comparison purposes, but it contemplates only cases of materials of simple geometry such as a ceramic catalyst. Concerning the experimental approach, three different methods are put forward. A classical two-load method is applied in two different con?gurations and an alternative method based on impedance measurements is here developed and applied. A comparison between these approaches is evaluated by means of a sensitivity analysis, in order to investigate the feasibility of each method in further explorations. Four different materials are tested, each one playing the porous element allotted inside the TAC, which is in its turn submitted to several different regimes of steady state temperature gradient. These materials are chosen in such a way as to cover the wide range of porosities comprised between expected pure stack and pure regenerator. The alternative method succeeds on its purpose for all materials, contrarily to the classical two-load method. In this manner, the measured transfer matrices are applied into a proper modeling devoted to predict both the operating frequency and the intrinsic TA ampli?cation gain. Such parameters are optimized for two basic TA engine models, either standing or traveling-wave con?guration, by searching for the corresponding geometrical parameters of the TAC surrounding components. A comparative analysis shows in what conditions the TA threshold is expected or not for each material, but it also reveals the limitations of the experimental apparatus in what concerns the appropriate dimensions to better ?t the performance investigations