Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Aéroacoustique des conduits“

L'objectif de cette thèse est de permettre une meilleure compréhension du mécanisme physique supposé être à la source d'un couplage aéroacoustique survenant dans les moteurs à propergol solide tels que ceux du lanceur Ariane 5. Le phénomène est une instabilité, dite "pariétale", particulière aux écoulements en conduite induits par injection pariétale. Des analyses linéaires sont d'abord menées sur une solution analytique auto-semblable des équations d'Euler qui indiquent la présence d'ondes instables convectives spatialement amplifiées vers l'aval selon un mécanisme non visqueux lié à la courbure des lignes de courant. Les résultats sont favorablement comparés à ceux obtenus expérimentalement. Des écoulements plus proches de ceux des moteurs à propergol solide sont ensuite étudiés avec la prise en compte de géométries plus complexes et d'effets de compressibilité. Puis, des développements non linéaires sont proposés par application de la théorie de la stabilité secondaire et par recherche d'états quasi-saturés selon une forme spécifique de ces écoulements linéairement accélérés, retrouvée par simulation numérique directe. Enfin, la place de l'instabilité pariétale dans la boucle d'interactions conduisant au couplage aéroacoustique est discutée, ainsi que les pistes possibles de prédiction de ce dernier.

L'étude de la propagation du champ acoustique dans les conduits à connu ces 10 dernières années de nombreuses études aussi bien théoriques qu'expérimentales. Suite à des travaux déjà effectués à l'U. T. C. Sur ce thème, nous présentons une méthode de mesure par sonde pression-vitesse pour la caractérisation du champ acoustique dans des conduits cylindriques en présence d'écoulement. Cette sonde, qui associe un fil chaud et un microphone, a été étudiée, réalisée et testée. Elle est basée sur la mesure de la pression acoustique par un microphone et la mesure directe de la vitesse acoustique et de la vitesse moyenne de l'écoulement par un fil (ou film) chaud. Les expériences de fiabilité de la sonde ont été conduites sur le banc de mesure de la D. A. V. I. De l'U. T. C. Pour différentes configurations aéroacoustiques. Ces expériences ont montré que pour une distance de 10 mm entre les capteurs, les effets de diffraction sont négligeables et les grandeurs acoustiques sont mesurées sans une grande erreur. Dans le but de rendre opérationnelle cette technique de mesure par fil chaud et microphone associés, il est nécessaire d'éliminer le déphasage cause par la chaine de mesure de la vitesse acoustique. Les calculs théoriques permettant de déterminer la fonction de transfert du fil chaud ont été développés et un montage expérimental pour sa mesure a été réalisé. Enfin, pour valider notre procédure d'étalonnage, les coefficients de réflexion donnés soit par la théorie soit par mesure sonde pression-vitesse sont comparés. Ils montrent que lorsque le déphasage sur le fil est corrigé, la théorie et l'expérience sont en bon accord. Pour la mise en œuvre de la sonde pression-vitesse, nous l'avons utilisé pour la caractérisation d'un ventilateur axial carène placé dans un conduit cylindrique. La procédure repose sur : - une expérience destinée à fournir les données d'entrée nécessaires à un code de calcul pour la prévision du champ rayonné à l'extérieur et aussi de fournir une base de données des résultats pour la détermination de la structure spatio-temporelle du champ acoustique à l'intérieur de la manche à air du compresseur; - une modélisation du problème expérimental et une utilisation du code de calcul pour déterminer le champ rayonné à l'extérieur par la manche. La résolution numérique du problème a montré de très bons accords entre l'expérience et le calcul.

La prédiction de la réduction passive du bruit nécessite l’utilisation de modèles d’impédance acoustique fiables. La proposition de tels modèles en présence d’écoulement est un problème qui reste ouvert. Les travaux réalisés dans cette thèse sont consacrés à la mise en place d’une méthode expérimentale et numérique permettant de tester la validité de modèles d’impédance acoustique de traitements SDOF en présence d’écoulement. Cette approche repose sur la comparaison de résultats expérimentaux issus d’un banc aéroacoustique, et de résultats numériques issus d’un modèle FEM-PML axisymétrique basé sur l’équation de Galbrun. Ainsi, dans la première partie de cette thèse, le modèle FEM-PML utilisé est présenté. Dans la seconde partie, des modèles d’impédance acoustique de SDOF tenant compte de l’écoulement sont exposés, ainsi que la méthode de validation de ces modèles et les résultats de ces validations
Prediction of noise reduction requires reliable acoustic impedance models. The proposal of such models in the presence of a mean flow is a problem which remains open. This thesis is devoted to the development of an experimental and a numerical method to test the validity of SDOF treatments acoustic impedance models in the presence of mean flow. This approach is based on the comparison of experimental results from an aeroacoustical duct, and numerical results from a FEM-PML axisymmetric model based on Galbrun’s equation. Thus, in the first part of this thesis, the FEM-PML model is presented. In the second part, some acoustic impedance models are exposed, and the validation method and the results of these validations are presented

Les traitements acoustiques sont largement utilisés pour réduire les émissions sonores des moteurs d'avions. Pour leur développement, il est essentiel de pouvoir mesurer l’impédance acoustique de ces traitements et d'étudier leur comportement en présence d’écoulement. Cette thèse vise à évaluer la performance de la méthode directe de mesure dans des conditions réalistes, en particulier lorsque l'on considère de grands conduits, des modes acoustiques d'ordres élevés et des vitesses d'écoulement représentatives des nacelles d'aéronefs. L'étude est d'abord basée sur des simulations numériques avec une méthode multimodale. Ensuite, le banc d’essai, MAINE Flow, permet de valider et de démontrer expérimentalement les méthodes proposées et les conclusions.Dans les grands conduits, le champ acoustique est plus complexe que dans les petits, pour la même gamme de fréquences. Ainsi, la mesure d'impédance est un défi, qui est également perturbé par le bruit dû à la présence de l'écoulement. Ce travail conçoit d’abord la configuration expérimentale et des antennes de microphones, pour réaliser une mesure d'impédance précise dans de grands conduits. Ensuite, la validité de l'hypothèse d'écoulement uniforme qui est souvent appliquée est évaluée, et l’effet d’un écoulement cisaillé est étudié, en particulier dans le cas de conduits de grandes tailles. Finalement, différentes ondes incidentes entraînent des comportements différents de la méthode de mesure. Par conséquent, l'influence du champ acoustique incident est aussi étudiée
Acoustic liners are widely used to reduce noise emissions in aircraft engines. The investigation of liners behavior is essential for their development. Impedance eduction is thus commonly implemented to measure its acoustic impedance in presence of flow. The work in this thesis aims to study the performance of the direct eduction method under realistic conditions, especially when considering large ducts, high-order acoustic modes and flow velocities representative of aircraft nacelles. The study is first based on numerical simulations with a multimodal method. Then the MAINE Flow facility is used for experimental validation and demonstration of the proposed methods and conclusions.In large ducts, the sound field is more complex compared to small ducts in the same frequency range. Therefore, the impedance eduction is challenging, and also because it is also perturbed by the background noise due to the presence of flow. The first task is to design microphone arrays for the experimental facility with the aim of performing accurate impedance eduction in large ducts. The second objective is to investigate the effects of shear flow. Impedance eduction is commonly implemented under the hypothesis of uniform mean flow. However, it is reasonable to question the validity of the uniform flow hypothesis, especially when considering large ducts. The third task is to study the influence of the incident sound field. In large ducts, the sound field contains higher-order modes, and different incident waves result in different behavior of the impedance eduction. It is thus necessary to study how the incident acoustic field affects the eduction results in the presence of flow

Dans l'industrie aéronautique, les traitements acoustiques placés en ras de paroi du réacteur commencent à atteindre leur limite en terme d'efficacité, notamment aux fréquences de passage de pâles (BPF) qui sont le résultat de l'Interaction entre les pales de la soufflante et les redresseurs Ainsi, des raies dans le spectre du bruit émis par le réacteur sont présentes durant toutes les phases de vol. En complément des matériaux absorbants, les tubes de Herschel-Quincke (HQ) offrent une alternative pour atténuer les raies émergentes aux BPF. Ces tubes sont placés en périphérie du conduit principal et déphasent les ondes acoustiques du conduit principal avec celles qui se propagent dans les tubes HQ afin d'atténuer le bruit transmis. Un modèle mixte analytique-numérique a été développé pour le calcul de la matrice de diffusion d'une couronne de tubes HQ intégrée à un conduit cylindrique traité de longueur finie. La technique développé permet de prendre en compte la forme exacte des tubes H Q que l'on met en périphérie du conduit principal ainsi que la possibilité d'avoir une vitesse acoustique non uniforme aux interfaces tube HQ-conduit principal. Le modèle permet une étude paramétrique sur les tubes HQ afin de cibler les fréquences à atténuer et et offre également un gain de temps par rapport à un modèle éléments finis
In aeronautic industry, the efficiency of acoustic liners in bypass and inter-stage regions of the turbofan engine is reached the limit, especially at the Blade Passage Frequencies (BPF), due to the interaction between the fan blades and the struts. Then, pure tones are produced in the noise spectrum for all flight phases, in addition of acoustic liners, Herschel-Quincke (HQ) tubes provide an alternative to improve the attenuation at the BPF. These tubes are placed in the periphery of the main duct and produce phase differences between acoustic waves in the main duct and in the HO tubes in order to attenuate the transmitted acoustic power. A mixed numerical-analytical model was developed for the fast computation of the scattering matrix of a ring of HO tubes integrated in a finite length line wall circular duct. This technic takes into account the exact shape of HO tube and the possibility of a non uniform acoustic velocity at the interfaces between the main duct and the HO tube. This model also allows a study of HQ tube parameters with a time swing compared to a standard element method. Finally, the mixed model has no frequency limit

Ce manuscrit porte sur le développement d’une méthode de calcul du bruit d’écoulement à faible nombre de Mach en conduite en présence d’obstacles. Elle consiste en une simulation numérique de l’écoulement dont les données sauvegardées servent dans un deuxième temps à l’estimation du rayonnement acoustique. Le calcul de mécanique des fluides est réalisé avec un modèle de turbulence LES incompressible. Un code a été développé pour le calcul acoustique qui comprend la transformée de Fourier des données de l’écoulement, le calcul par méthode intégrale et les post-traitements. L’originalité de la méthode réside dans le fait qu’elle nécessite comme informations sur l’écoulement uniquement des données surfaciques. Aucune donnée volumique n’a besoin d’être sauvegardée durant le calcul de mécanique des fluides. Dans une conduite obstruée par un obstacle, les principales sources de bruit se situent à proximité de l’obstacle et le rayonnement diffracté sur l’obstacle domine sur le rayonnement direct des sources. C’est la diffraction du rayonnement incident qui rend négligeable les données volumiques dans le calcul acoustique. Elle est étudiée et illustrée à travers le cas simplifié du rayonnement d’une source placée à proximité d’un obstacle en conduite. Des comparaisons calculs/essais favorables valident la méthode et le code de calcul développé. Plusieurs configurations sont étudiées : l’insertion dans un conduit rectangulaire droit d’un diaphragme, d’un agencement de deux diaphragmes et d’un volet. En présence d’un diaphragme, une théorie de la similitude est introduite ; en présence d’un double diaphragme, des phénomènes d’interaction entre les deux obstacles apparaissent et sont analysés ; et en présence d’un volet, des résonances particulières sont examinées
This manuscript deals with the development of a calculation method of low Mach number flow noise in ducts in the presence of fixed obstacles. lt consists of a numerical simulation of the flow during which data are saved and used in a second time to estimate the acoustic radiation. The fluid calculation is performed with an incompressible LES turbulence model. A code has been developed for the acoustic computation which includes the Fourier transform of the flow data, the integral computation and the post-processing. The originality of the method lies in the fact that it requires as information on the flow only surface data. No volume term needs to be saved during the fluid calculation. ln a duct obstructed by an obstacle, the main sources of noise are located near the obstacle and the scattered field on the obstacle dominates on the direct radiation of the sources. lt is the diffraction of the incident radiation which makes the volume data negligible in the acoustic calculation. This is studied and illustrated through the simplified case of the radiation from a source located near a ducted obstacle. Favorable comparisons with measurements validate the method and the developed code. Several configurations are studied: the insertion into a straight rectangular duct of a diaphragm, an arrangement of two diaphragms and a flap. ln the presence of a diaphragm, a theory of similarity is introduced; in the presence of a double diaphragm, interaction phenomena between the two obstacles appear and are analyzed; and in the presence of a flap, particular resonances are examined

Les diaphragmes utilisés comme organes de perte de charge à l'intérieur des tuyauteries de centrales électriques ont été mis en cause dans la création de sifflement. Les conséquences de ces phénomènes sont des niveaux de bruit et de vibration pouvant dépasser les valeurs admissibles. L'objectif de la thèse est d'étudier le sifflement sur la base d'expérimentations et de calculs numériques afin de proposer des outils de compréhension et de prédiction. Un résultat de la thèse correspond à l'identification expérimentale et numérique des conditions d'amplification acoustique au niveau de diaphragmes, phénomène nécessaire au sifflement. Les expériences montrent que les plages de sifflement, exprimées sous la forme d'un nombre de Strouhal fonction de l'épaisseur du diaphragme et de la vitesse dans l'orifice, s'étendent de 0,2 à 0,4 et de 0,7 à 0,9 et sont indépendantes du nombre de Reynolds. Le potentiel de sifflement de diaphragmes est également caractérisé à l'aide de simulations numériques. Deux approches sont utilisées avec des calculs U-RANS incompressibles et des simulations LES compressibles. Il apparaît que la simulation numérique permet de reproduire l'effet d'amplification acoustique à l'origine du sifflement, pour des pas de discrétisation spatial au coin amont de l'orifice suffisamment petit. Un autre résultat de la thèse est la définition des paramètres contrôlant les caractéristiques du sifflement en présence de réflexions acoustiques. Une analyse de stabilité linéaire prédit l'apparition d'un sifflement et sa fréquence. L'amplitude de sifflement est maximum pour un nombre de Strouhal autour de 0,25 et augmente avec le taux de réflexion autour du diaphragme.

La conception de turboréacteurs présente de plus en plus de défis. Le respect de l'environnement, naturel et sonore, est devenu un enjeu majeur pour les motoristes car il devient un argument de vente important et une condition sine qua non afin de valider les futures normes en aviation. Dans ce contexte, il est devenu nécessaire d'étudier et de prédire les différentes sources de bruit d'un turboréacteur pour les inclure dans sa conception. Parmi ces différentes sources de bruit, celle de la chambre de combustion est méconnue et devient une source de bruit aval de plus en plus importante dans les phases d'approche et de croisière où le bruit de jet a été significativement réduit. Nous pourrons aussi nous intéresser aux modes de conduit générés par les interactions rotor-stator des différents étages de compresseurs et de turbines en amont et aval de la chambre de combustion respectivement. L'effet de masquage étant réduit par la diminution du nombre d'étages de turbines, il est donc nécessaire d'évaluer la transmission et la réflexion des ondes acoustiques (responsables du bruit direct) mais aussi entropiques et de vorticité (responsables du bruit indirect) issues de la combustion ainsi que des modes de conduit à travers les étages de turbines d'un turboréacteur. L'objectif, dans le cadre de la Chaire de recherche en acoustique appliquée à l'aviation en collaboration avec Pratt & Whitney Canada, est de développer un modèle de pertes par transmission valide autant pour les basses fréquences (chambre de combustion) que pour des fréquences plus élevées (interactions rotor-stator). Différents niveaux de modélisation sont utilisés à partir de disques actifs ou semi-actifs. Ces théories sont utilisées pour les très basses fréquences en considérant que l'espace inter-aubes et la corde du profil sont faibles devant la longueur d'onde. Les théories plus complexes prennent en compte une corde non négligeable et donc des fréquences plus élevées. Parmi les modèles existants dans la littérature, nous avons choisi de sélectionner deux modèles en particulier. Tout d'abord un modèle de disque actif pour prendre en compte la déviation de l'écoulement par les aubes puis un modèle de grille d'aubes pour prendre en compte la corde et l'espace inter-aubes. L'objectif est de coupler ces deux modèles afin de prendre en compte tous les effets intervenant dans la transmission des ondes à travers les étages de turbines d'un turboréacteur.

L’évolution des turboréacteurs vers des taux de dilution toujours plus importants est associée à de nouvelles problématiques. Parmi elles, le raccourcissement de l’entrée d’air et de la tuyère est associé à une diminution du gain apporté par les traitements acoustiques de nacelle. La contribution des traitements situés dans l’espace entre la soufflante et le stator redresseur (OGV) va donc prendre de l’importance par rapport à l’ensemble des traitements. Cette zone, également appelée “interstage”, est caractérisée par une forte giration de l’écoulement moyen due à l’entraînement du fluide par le rotor. L’objectif de ce travail est de développer un modèle analytique afin d’évaluer l’effet de la giration sur le comportement des traitements acoustiques dans l’interstage, ainsi que sur le bruit à large-bande rayonnant en amont dû à l’interaction de la turbulence en aval de la soufflante avec les aubes des stators (OGV). Dans un premier temps, l’évolution de petites perturbations dans écoulement moyen tournant et cisaillé dans un conduit rigide est étudiée. Après avoir introduit les équations ainsi que les hypothèses du problème, l’analogie acoustique de Posson & Peake [122] est présentée. L’effet de la giration sur le contenu modal dans un conduit rigide est mis en évidence pour plusieurs types d’écoulements tournants. En particulier, le décalage des fréquences de coupures est étudié. L’étude est ensuite étendue au cas d’un conduit annulaire traité acoustiquement. Une attention particulière est portée sur la condition aux limites à appliquer aux parois du conduit. Dans ce cadre, une correction due aux effets centrifuges est apportée à la condition aux limites de Myers [101]. Une extension du modèle de Brambley [24] est aussi proposée afin de prendre en compte l’effet de l’épaisseur de la couche limite aux parois du conduit dans le cas tournant. Les effets combinés de la rotation et de la condition aux limites sur le contenu modal sont ensuite étudiés. En outre, une relation de dispersion pour les modes de surfaces en présence d’écoulement tournant est développée. À partir des développements précédents, un modèle de transmission acoustique est proposé afin d’évaluer l’effet de la giration sur le comportement des traitements acoustiques. La méthode repose sur le principe de raccordement modal appliqué à la conservation du débit massique et de l’enthalpie totale aux interfaces séparant les sections rigides et traitées. Une nouvelle méthode de projection basée sur les propriétés des polynômes de Chebyshev est proposée. À partir de ce modèle, l’efficacité des traitements acoustiques est étudiée pour différents écoulements tournants. Enfin, un modèle de prédiction du bruit à large-bande d’interaction rotor-stator est établi à partir de l’analogie de Posson & Peake [122], dans le but de prendre en compte l’effet de la giration sur la puissance acoustique rayonnée en amont. Le terme source est calculé selon le formalisme de Posson et al. [120]. Le modèle ainsi développé permet de prendre en compte une évolution radiale des paramètres géométriques et des propriétés statistiques de la turbulence incidente. Le modèle est ensuite évalué sur le cas test NASA SDT pour différents régimes et géométries
The advent of modern turbofan engines such as UHBR goes along with new issues. Amongst others, the shortening of the inlet and exhaust yield a relatively higher importance of the liners located inside the interstage, where the flow is highly swirling. The present work aims at developing analytical models to assess the effect of the swirl both on the behavior of the interstage liners and on the upstream radiation of the fan-OGV interaction broadband boise. The evolution of small fluctuations in a rigid annular duct containing a swirling and sheared mean flow are studied first. After having introduced the governing equations and the main assumptions, the acoustic analogy of Posson & Peake [122] tailored to an annular duct with swirl and shear is presented. The effect of the swirl on the modal content in a rigid annular duct is highlighted for different types of swirl. In particular the shift of the cut-on thresholds is studied. Then, the modal analysis is extended to a duct with lined walls. A particular attention is paid on the boundary condition. Notably, a correction of the classical Myers boundary condition [101] is proposed to account for the centrifugal effects. An extension of Brambley’s boundary condition [24] is also derived to account for the boundary layer thickness to first order. The effect of both the swirl and the boundary condition on the modal content are studied. Besides, a dispersion relation for the surface waves is derived for the corrected Myers boundary condition. Based on the previous modal analyses, a transmission tool is developed to assess the effect of the swirl on the efficiency of a liner. The method, which relies on the mode-matching approach, is based on the conservation of the total enthalpy and the mass flow at the interfaces between the rigid and the lined sections. Due to the nature of the eigenfunctions, a new projection method based on the Chebyshev polynomial properties is proposed. Thanks to this model, the absorption is assessed for different types of swirl. Finally, a rotor-stator interaction broadband noise prediction model is derived from Posson & Peake’s acoustic analogy [122], to account for the effect of the swirl on the upstream radiated acoustic power. The source term is computed according to Posson et al.’s model [120]. It allows considering a radial variation of the geometry and the statistical properties of the incident turbulence. The model is assessed on the NASA SDT test case and the effect of the swirl is evaluated for several stator geometries and regimes

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet CISSCOH (Caractérisation et Identification des Sources Sonores dans les Composants Hydrauliques) soutenu par la Région Picardie et regroupant différents partenaires industriels (CETIM et Poclain Hydraulics) et universitaire (UTC). L'objectif est la conception d'outils de calculs numériques pour estimer les niveaux de bruit émis et localiser leur origine lors de la phase de conception d'un composant hydraulique. Dans nos travaux, on s'intéresse plus précisément au bruit émis dans un conduit, généré par l'interaction entre un écoulement de fluide et un obstacle placé dans le conduit. Cette interaction génère des turbulences sources de bruit. Pour déterminer le champ de pression acoustique généré et propagé dans le conduit, on s'appuie sur l'analogie de Lighthill, formulée en 1952. Une chaîne de calcul, visant à estimer cette pression, est développée avec deux étapes principales : calcul du champ source (tenseurs de Lighthill) et propagation de la pression générée par les sources. Pour l'estimation de la pression acoustique, deux méthodes numériques classiques sont développées: une méthode de discrétisation par éléments finis et une méthode reposant sur la formulation intégrale de l'équation de Lighthill. A partir de ces deux méthodes classiques, une méthode innovante dite hybride est développée, visant à combiner leurs avantages respectifs : la précision des éléments finis et la rapidité de la méthode intégrale. La chaîne de calcul basée sur la méthode hybride est validée sur des calculs réalisés à partir d'un modèle similaire à une étude disponible dans la littérature. Enfin, à partir d'un banc de mesure développé lors de précédents travaux au sein du laboratoire Roberval, des mesures sont réalisées avec un écoulement d'air dans un conduit rectangulaire, en y plaçant un diaphragme. Ces mesures ont permis d'étudier l'impact de paramètres, tels que la vitesse d'écoulement de l'air et la présence ou non d'un chanfrein, sur la puissance rayonnée dans le conduit. Des calculs ont été réalisés sur les modèles de diaphragmes associés, pour calculer la puissance acoustique rayonnée et confronter les résultats de calculs aux mesures. On montre que les résultats obtenus sont comparables aux résultats de mesure.