Academic literature on the topic 'Bruit – Combustion'

Abstract Le sédiment superficiel (0-3cm), l’eau interstitielle, les particules en suspension et l’eau de surface autour de l’Ile-aux-Grues (Québec, Canada) ont été échantillonnés en mai 1988 (11 jours après le déversement du pétrolier Czantoria) et en juin 1990. Les concentrations en hydrocarbures totaux mesurées par spectrofluorescence révèlent l’enrichissement des particules en suspension relativement à la fraction dissoute et au sédiment. Les analyses en chromatographie en phase gazeuse montrent que la contamination pétrolière du sédiment a été très ponctuelle. En mai 88, seulement deux stations montraient les indices d’une forte contamination pétrolière du sédiment, qui n’était plus décelée significativement deux ans après. A l’une de ces stations, la biodégradation des hydrocarbures semblait très avancée dans le sédiment, alors que l’eau interstitielle était enrichie en dérivés naphtaléniques. Des résidus de type émulsions “d’eau-dans-1’huile” non altérés étaient retrouvés adsorbés sur des rochers aux deux extrémités de l’ile, 11 jours après l’accident. Dans le sédiment prélevé en mai 88, l’origine fossile des hydrocarbures se superpose à un “bruit de fond” dans lequel on peut distinguer une importante contribution biogénique (n-alcanes à chaînes impaires, rétène, pérylène). Durant les deux séries d’échantillonnage, tous les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dérivés de combustion ont été retrouvés à des niveaux relativement faibles dans le sédiment, confirmant la légère contamination pyrogénique à laquelle le site étudié est soumis.

Le bruit issu de la combustion dans les turbomoteurs tend à devenir l’une des principales sources de bruits des avions, du fait des améliorations successives visant à diminuer le bruit de jet, la consommation de carburant et la génération de dioxyde d’azote. Les nouvelles générations de turbomoteurs sont ainsi caractérisées par une taille plus compacte (avec notamment moins d’étage de turbine) et une activité thermo-acoustique plus intense. Deux mécanismes sont à la source du bruit de combustion : le bruit direct issue des ondes acoustiques générées par la flame et le bruit indirect issu de l’accélération et décélération des fluctuations non-acoustiques dans les étages de la turbine. Dans ce contexte, il est essentiel pour la conception de ces moteurs de s’appuyer sur une méthodologie de calcul permettant la prédiction du bruit de combustion et de ces deux principaux mécanismes générateurs. Pour cela, le CERFACS travaille depuis plusieurs années sur le développement d’une méthodologie de calcul basée sur la simulation aux grandes échelles (SGE) des chambres de combustion couplée à une méthode analytique pour propager le bruit dans les étages de turbine.Cette thèse s’est focalisée sur les modèles analytiques décrivant la génération de bruit dans des tuyères (domaine simplifié de turbine) et de leur validation par des simulations numériques instationnaires précises. Ainsi, le modèle de prédiction du bruit indirect lié aux fluctuations de composition a été revisité et validé à l’aide de simulations nécessitant le développement de nouvelles conditions non-réfléchissantes. Ce modèle est par la suite étendu afin de prendre en compte la variation des capacités calorifiques des espèces de l’écoulement en fonction de la température. Son impact sur les mécanismes de génération de bruit est évalué à l’aide d’études paramétriques. Enfin, la génération de bruit dans les turbines a été étudiée de manière théorique et applicative. D’un côté, après avoir proposé un modèle analytique réduit décrivant la propagation des ondes 1D à fréquences nulles, ce modèle est étendu à toutes les fréquences et comparé à des résultats instationnaires dans un stator. La propagation d’ondes 2D de type entropique dans un stator et une tuyère sont ensuite réalisées et analysées. D’un autre côté, la méthodologie de calcul du bruit de combustion complète, appelée CONOCHAIN, est appliquée en partant de résultat de simulation numérique diphasique du moteur d’hélicoptère TEENI dans le cadre du projet CIRRUS. Les niveaux de bruit de combustion sont analysés et comparés en sortie turbine et en champs-lointain à des résultats expérimentaux et numériques précédents
Combustion noise in turboshaft engines is becoming one of the main sources of aircraft noise, thanks to successive improvements aimed at reducing jet noise, fuel consumption and nitrogen dioxide generation. New-generation turboshaft engines are thus characterized by a more compact size (with fewer turbine stages) and more intense thermo-acoustic activity. Two mechanisms are responsible for combustion noise: direct noise from acoustic waves generated by the flame, and indirect noise from the acceleration and deceleration of non-acoustic fluctuations in the turbine stages. In this context, it is essential for the design of these engines to rely on a calculation methodology enabling the prediction of combustion noise and these two main generating mechanisms. To this end, CERFACS has been working for several years on the development of a calculation methodology based on large-scale simulation (LSS) of combustion chambers, coupled with an analytical method for propagating noise in the turbine stages.This thesis focused on the analytical models describing noise generation in nozzles (simplified turbine domain) and their validation by accurate unsteady numerical simulations. The model used to predict indirect noise due to composition fluctuations has been revisited and validated using simulations requiring the development of new non-reflecting conditions. This model was then extended to take into account temperature-dependent variations in the heat capacities of the species in the flow. Its impact on noise generation mechanisms is assessed using parametric studies. Finally, noise generation in turbines has been studied both theoretically and in an applicative way. On the one hand, after proposing a reduced analytical model describing 1D wave propagation at zero frequencies, this model is extended to all frequencies and compared with unsteady results in a stator. The propagation of 2D entropic waves in a stator and a nozzle is then performed and analyzed. On the other hand, the complete combustion noise calculation methodology, called CONOCHAIN, is applied on the basis of two-phase numerical simulation results for the TEENI helicopter engine as part of the CIRRUS project. Combustion noise levels are analyzed and compared at turbine outlet and far-field with previous experimental and numerical results

L'augmentation du trafic aérien à proximité des zones à forte densité démographique impose aux constructeurs aéronautiques de développer des appareils de plus en plus silencieux. Les systèmes propulsifs figurent parmi les principaux contributeurs du rayonnement acoustique des aéronefs. Plus particulièrement, il est admis que la chambre de combustion est responsable d'une génération acoustique large-bande et basse fréquence. Deux principaux mécanismes générateurs de bruit ont été identifié dans les moteurs d'avions dans les années 70. Le premier correspond à l'émission d'ondes acoustiques par le dégagement de chaleur instationnaire induit par la combustion turbulente au sein de la chambre, bruit qualifié de direct. Le second mécanisme est la génération acoustique dans les étages de turbine par l'accélération des fluctuations de températures et de vorticité crées par la flamme et l'écoulement turbulent dans la chambre, bruit qualifié d'indirect. Ces deux mécanismes ont été largement mis en évidence au travers de travaux académiques analytiques, expérimentaux et numériques. Par contre, l'importance du bruit de combustion sur des moteurs réels a été peu étudiée. Dans ce travail, une méthodologie de calcul basée sur des simulations aux grandes échelles de chambres de combustion couplées à une méthode analytique pour calculer le bruit de combustion dans une configuration réelle est évaluée. Cette chaîne de calcul nommée CONOCHAIN est comparée aux résultats expérimentaux analysés dans cette thèse et issus du projet TEENI (projet européen FP7) où un moteur complet TURBOMECA a été instrumenté pour identifier les sources de bruits large-bandes. Dans un premier temps, un secteur de la chambre TEENI est calculée pour deux points de fonctionnements expérimentaux. Ensuite, la chambre annulaire complète est simulée au point de fonctionnement maximal pour évaluer l'apport du champ aérodynamique complet sur la prédiction du bruit. Enfin, les niveaux de bruits direct et indirect sont calculés, à partir des fluctuations extraites des précédentes simulations en sortie de brûleur, dans les étages de turbines et comparés aux données expérimentales
The growth of air traffic at the vicinity of areas at high population density imposes to make quieter aircrafts on aeronautical manufacturers.The engine noise is one of the major contributors to the overall sound levels. Furthermore, the combustion is known to be responsible for a broadband noise generation at low-frequency. The combustion noise can be put into two main mechanisms. The first one is the emission of sound pulses by the unsteady heat release of the combustion process and is called the direct combustion noise. The second one is the generation of acoustic waves within the turbine stages by the acceleration of the temperature inhomogeneities and vorticity waves induced by the combustion and the turbulent flow within the combustor. This noise is the indirect combustion noise. These mechanisms were fully investigated in academic cases using experimental, analytical and numerical approaches contrary to the combustion noise within real engines. In this work, a hybrid approach called CONOCHAIN and based on LES of combustion chamber and an analytical disk theory to compute the combustion noise in a real turboshaft engine is evaluated. The predicted noise levels are compared with the experimental results obtained from a TURBOMECA engine in the framework of TEENI project (European project FP7) and analysed in this work where a turboshaft engine was instrumented to locate and identify the broadband noise sources. Two LES of a single sector of the TEENI combustion chamber representative of two experimental operating points are performed as well as a LES of the full-scale combustor at high power. The unsteady fields provided by the LES are used to compute direct and indirect combustion noise within the turbine stages in both cases and compared with the experimental results

Le bruit de combustion est devenu un contributeur de plus en plus important dans le bruit total de moteur d'avion. Ce bruit global a deux composantes: Le bruit direct et le bruit indirect. Le premier est issu des fluctuations de dégagement de chaleur dans la flamme elle-même. Le deuxième a pour origine les inhomogénéités de température dans les gaz brûlés. L'objectif de ce travail est la conception d'un banc de combustion sous pression avec une flamme pauvre, prémélangée swirlée dont les paramètres d'injection permettront d'obtenir des grandes quantités de bruit indirect.Il est nécessaire de caractériser ce banc et d'établir quelle est la part du bruit direct et de l'indirect afin d'identifier les sources de ces contributions. Pour cette caractérisation il est nécessaire d'utiliser différents diagnostics, de prendre en compte la résolution temporelle. Ces diagnostics à haute cadence permettent de caractériser les champs de vitesse et les dynamiques de flamme, les instabilités de combustion dans le système et ainsi évaluer les contributions du bruit direct et indirect
Combustion noise has become an increasing contributor of overall aircraft engine noise. It consists of two major parts, direct and indirect combustion noise. The former is generated by the heat release fluctuations of the flame itself. The latter is generated by the temperature inhomogeneities in the burnt gases, which are accelerated in the turbine stages or nozzle following the combustion chamber.The aim of this work is to design and build a pressurized lean swirling combustor test bench, in order to quantify the two contributions.The combustor is thus supposed to generate high quantities of indirect combustion noise. The second aim is then to determine the contributions of direct and indirect combustion noise quantitatively and to gain insight about the sources of the two contributions. These analyses are conducted by different high-speed diagnostics, which were worked on during this work. These diagnostics allow to characterize the flow fields and flame dynamics, to put forward the combustion instability in the system and finally to quantify the direct and indirect combustion noise contributions

L’objectif de la thèse est le développement d'une stratégie pour quantifier expérimentalement le bruit indirect et le séparer du bruit direct, puisque le bruit direct et indirect co-existent dans la plupart des applications. La configuration retenue pour l'étude est un banc expérimental avec une tuyère et la stratégie proposée a pour l’objectif de mesurer les fonctions de transfert de la tuyère. Le premier chapitre définit les fonctions de transfert de la tuyère utilisée dans l'étude comme référence pour la validation de la stratégie. Le deuxième chapitre présente une configuration originale qui génère simultanément le bruit direct et indirect sans introduire la combustion. Le troisième chapitre détaille les méthodes pour évaluer les ondes acoustiques et d'entropie à partir des mesures de température et de pression. Le quatrième chapitre termine la première partie de la thèse en décrivant la stratégie avant de la tester avec les signaux expérimentaux et numériques de haute fidélité. La deuxième partie se concentre sur l'utilisation de la stratégie dans les simulations à grandes échelles d'un brûleur à combustion turbulente. Les simulations sont validées par des données expérimentales tandis que les signaux sont traités à quantifier le bruit direct et indirect de combustion dans la chambre
The objective of the thesis is the development of a practical strategy to quantify experimentally indirect noise and to discriminate it from direct noise as they co-exist in most practical conditions. The configuration retained for the study is a test bench with a nozzle and the proposed the strategy relies on nozzle transfer functions. The first chapter defines the nozzle transfer functions used in the study as references for the validation of the strategy. The second chapter introduces an original setup that generates simultaneously direct and indirect noise without handling combustion. The third chapter details the methods to evaluate the acoustic and entropy waves from raw temperature and pressure signals. The fourth chapter closes the first part of the study by describing the strategy then testing it on high-fidelity simulation and experimental signals. The second part focuses on the use of the strategy in Large Eddy Simulations of a turbulent combustion test bench. Simulations are validated by experimental data then raw signals are processed to quantify the direct and indirect noise sources as well as the direct and indirect noise contributions

Dans ce travail on s'intéresse à la Simulation aux Grandes Échelles (LES en anglais) des instabilités de combustion dans les brûleurs industriels et plus particulièrement à la qualité des résultats que l'on peut obtenir avec cette approche. On vérifie d'abord la capacité d'AVBP, le code de LES du CERFACS, à calculer exactement des configurations simples impliquant seulement un phénomène physique (turbulence, acoustique ou combustion). Des cas test académiques réactifs et non-réactifs, pour lesquels les solutions analytiques sont connues, sont présentés, en mettant praticulièrement en évidence l'influence de la discrétisation numérique et son interaction avec les conditions-limites. Puis, ayant démontré la validité et le bon fonctionnement de l'outil LES, les résultats d'un calcul d'instabilités autoentretenues d'un brûleur de laboratoire sont exposés
This work is about the Large Eddy Simulation (LES) of combustion instabilities in industrial burners and, in particular, the assessment of the quality of the results that can be obtained with this approach. The ability of the LES code AVBP of CERFACS to accurately compute simple configurations involving only one physical phenomenon (turbulence, acoustics or combustion) is firstly verified. Reactive and non-reactive academical test cases, for which the analytical solutions are known, are presented putting special emphasis on the influence of the numerical discretization and on its interaction with boundary conditions. Then, having gained confidence in the LES tool, the results obtained from a self-excited computation of a lab-scale burner are shown

La contribution relative du bruit de combustion au bruit global des moteurs aéronautiques augmente progressivement dû d'un coté à la réduction des autres sources et d'un autre à l'implémentation des nouvelles technologies de chambre de combustion pour la réduction des émissions de NOx. Deux mécanismes sont responsables de cette source de bruit : d'abord le bruit direct, dû aux ondes acoustiques générées par la flamme qui se propagent à la sortie du moteur d'avion, et ensuite le bruit indirect, généré par les ondes d'entropie quand elles sont accélérées et ralenties dans les étages de turbine. Dans ce travail, les modèles analytiques utilisés pour la propagation des ondes à travers les flux non-homogènes, y compris la génération de bruit indirect, sont révisés et étendus. Tout d'abord, le cas quasi-1D est étudié: la méthode analytique est étendue pour les fréquences non nulles et validée avec des méthodes numériques et des données expérimentales. Dans la seconde partie, la méthode analytique 2D dans le cas d'aubes de turbines compactes est étudiée et validée à l'aide de simulations numériques d'un rotor et d'un étage de turbine complète. Enfin, ces modèles sont combinés avec des simulations aux grandes échelles réactives et compressibles de chambres de combustion pour construire une approche hybride appelée CHORUS capable de prédire le bruit de combustion
Combustion noise is increasing its relative contribution to aircraft noise, while other sources are being reduced and new low-NOx emission combustion chambers being built. Two mechanisms are responsible for this noise source: direct noise in which acoustic waves are generated by the flame and propagate to the outlet of the aero-engine, and indirect noise, where entropy waves generate noise as they are accelerated and decelerated in the turbine stages. In this work the analytical models used for the propagation of waves through non-homogeneous flows, including the generation of indirect noise, are revised and extended. In the first part, the quasi-1D case is studied, extending the analytical method to non-zero frequencies and validating the results with numerical methods and experimental data. In the second part, the 2D method for the case of compact turbine blades is studied and validated using numerical simulations of a rotating blade and of a complete turbine stage. Finally, in the third part of this thesis, these models are combined with reactive and compressible Large Eddy Simulations (LES) of combustion chambers to build a hybrid approach, named CHORUS, able to predict combustion noise

Cette thèse porte sur la validation et l'application d'un spectrofiltre pour séparer le bruit de combustion et le bruit mécanique d'un moteur Diesel. Le spectrofiltre est un estimateur de fonction de transfert. Dans le contexte de notre étude, il estime les transferts vibroacoustiques des forces de combustion entre les cylindres du moteur et le point d'écoute. Le spectrofiltre s'obtient à partir des pressions-cylindre et du bruit rayonné par le moteur. La méthode que nous examinons est une application de la théorie de la cyclostationnarité. Elle consiste à calculer le spectrofiltre à partir de la partie aléatoire des signaux. L'intérêt de cette méthode est de fortement réduire une erreur provenant de la cohérence entre la combustion et les sources de bruit mécanique. Cette méthode est d'abord justifiée sur la base d'arguments théoriques, et formalisée de façon à mettre en évidence ses avantages et ses inconvénients. Elle est ensuite validée par deux expériences numériques et une expérience en conditions réelles. Elle est finalement appliquée à l'étude des transferts vibroacoustiques des forces de combustion, et de la composition du bruit du moteur, relativement au point de fonctionnement (régime, charge, et teneur en GTL du carburant).

Cette thèse porte sur la validation et l'application d'un spectrofiltre pour séparer le bruit de combustion et le bruit mécanique d'un moteur Diesel. Le spectrofiltre est un estimateur de fonction de transfert. Dans le contexte de notre étude, il estime les transferts vibroacoustiques des forces de combustion entre les cylindres du moteur et le point d'écoute. Le spectrofiltre s'obtient à partir des pressions-cylindre et du bruit rayonné par le moteur. La méthode que nous examinons est une application de la théorie de la cyclostationnarité. Elle consiste à calculer le spectrofiltre à partir de la partie aléatoire des signaux. L'intérêt de cette méthode est de fortement réduire une erreur provenant de la cohérence entre la combustion et les sources de bruit mécanique. Cette méthode est d'abord justifiée sur la base d'arguments théoriques, et formalisée de façon à mettre en évidence ses avantages et ses inconvénients. Elle est ensuite validée par deux expériences numériques et une expérience en conditions réelles. Elle est finalement appliquée à l'étude des transferts vibroacoustiques des forces de combustion, et de la composition du bruit du moteur, relativement au point de fonctionnement (régime, charge, et teneur en GTL du carburant)
This PhD dissertation tackles the validation and application of a spectrofilter to separate the combustion and mechanical noises of a diesel engine. The spectrofilter is a transfer function estimate. In the present study's context, it estimates the vibroacoustic transfers of the combustion forces from the engine's cylinders to the listening spot. The spectrofilter is computed upon the in-cylinder pressure and engine noise signals. The method under study is an application of the cyclostationnarity theory. It consists in computing the spectrofilter upon the non-deterministic part of the signals. The point of this method is to reduce the error stemming from the correlation between combustion and mechanical sources. First, this method is argued on a theoretical basis and formalized so as to underline its advantages and drawbacks. Then, it is validated by various experimental results. Finally, the method is applied to estimate both the vibroacoustic transfers of combustion forces and the composition of the engine noise, as well as their variations with running condition (running speed, load and fuel's GTL content)

Le bruit émis par les nouvelles architectures de moteurs aéronautiques a été considérablement réduit dans les dernières années. Les différentes sources de bruit ont été identifiées et pour la plupart réduites. Cependant, la contribution relative du bruit de combustion au bruit global a augmenté progressivement avec la décroissance des autres sources. Deux mécanismes de génération de bruit de combustion ont été identifiés : le bruit direct qui est produit par des fluctuations du dégagement de chaleur dû à la combustion, et le bruit indirect qui est généré par l’accélération des spots d’entropie. Dans ce travail, les mécanismes de génération et propagation du bruit entropique sont étudiés par des simulations numériques aux grandes échelles (en anglais LES) et par des modèles analytiques. Dans un premier temps, une configuration simplifiée du phénomène est étudiée : des spots d’entropie sont créés par des résistances chauffantes et ensuite accélérés par une tuyère pour générer du bruit indirect. Cette configuration a été simulée et ses résultats validés par des campagnes expérimentales. Ensuite, la simulation numérique est utilisée pour mieux comprendre les mécanismes de génération du bruit indirect et ses interactions avec des effets visqueux et non visqueux. Dans une seconde partie, une configuration de turbine haute pression à un seul étage est utilisée pour étudier le bruit indirect d’une façon plus réaliste. Dans les deux parties de cette thèse, les résultats numériques sont comparés à des théories analytiques pour mieux comprendre les avantages et inconvénients d’une méthode par rapport à l’autre
Combustion noise is increasing its relative contribution to aircraft noise, while other sources are being reduced and new low-NOx emission combustion chambers being built. Two mechanisms are responsible for this noise source: direct noise in which acoustic waves are generated by the flame and propagate to the outlet of the aero-engine, and indirect noise, where entropy waves generate noise as they are accelerated and decelerated in the turbine stages. In this work, the analytical models used for the propagation of waves through non-homogeneous flows, including the generation of indirect noise, are revised and extended. In the first part, the quasi-1D case is studied, extending the analytical method to non-zero frequencies and validating the results with numerical methods and experimental data. In the second part, the 2D method for the case of compact turbine blades is studied and validated using numerical simulations of a rotating blade and of a complete turbine stage. Finally, in the third part of this thesis, these models are combined with reactive and compressible Large Eddy Simulations (LES) of combustion chambers to build a hybrid approach, named CHORUS, able to predict combustion noise