Dissertations / Theses on the topic 'Tourbillons acoustiques'

Le travail a pour objet l'étude numérique de l'interaction entre un écoulement et une onde acoustique dans l'eau. Lorsqu'une onde traverse une zone de vorticité de l'écoulement, elle subit une diffusion. Il est alors possible en recueillant l'onde diffusée d'obtenir des renseignements intéressants sur les écoulement insonnés. Cette méthode a ainsi été utilisée expérimentalement comme un moyen de mesure non-intrusif d'écoulements tourbillonnaires ou turbulents. On développe dans un premier temps la théorie de l'interaction entre une onde et un écoulement. On se propose pour cela de résoudre le problème de Neumann associé par une méthode intégrale pour le calcul de la pression acoustique diffusée. On compare la méthode avec celle décrite dans les travaux de Lund et Rojas qui proposent une formule analytique liant linéairement la vorticité et la pression diffusée dans l'espace de Fourier, dans le cadre de l'approximation de Born en champ lointain. Par comparaison avec les études expérimentales, on explique comment on peut retrouver les caractéristiques essentielles de l'écoulement dans le cas de l'allée de Von Karman, à l'aide d'une analogie avec les réseaux de diffraction optiques. On valide ensuite ces hypothèses avec le code de calcul développé, dans le cas d'une allée obtenue à l'aide d'un modèle analytique, ou à l'aide de codes de calcul d'écoulement fondés sur une méthode particulaire ou de volumes finis. La méthode d'analyse est ensuite appliquée au cas du tourbillon seul. On montre qu'on peut remonter à la mesure des ses caractéristiques principales: taille, intensité et vitesse. On étudie ensuite le cas du tourbillon marginal derrière un profil d'aile tridimensionnel et on s'intéresse enfin à un modèle analytique d'écoulement modélisant le sillage à l'arrière d'un sous-marin.

Les objectifs de cette thèse sont, de faire le point sur un certain nombre de questions liées aux équations gouvernant les écoulements diphasiques et d'étudier le comportement d'une suspension avec et sans mouvement moyen. Ces objectifs se reflètent dans la succession des trois chapitres. Dans le premier chapitre, nous rappelons les définitions des écoulements diphasiques et les hypothèses qui constituent le cadre de l’étude. L’expression de la force s'exerçant sur une particule sphérique est établie à partir des résultats les plus récents. Le problème des échanges thermiques est traité dans un cas simple. Enfin, un système d'équations simplifiées, modélisant le comportement moyen d'une suspension, est fourni et sera utilisé par la suite. Dans le second chapitre, nous linéarisons les équations des suspensions autour d'un état de référence au repos. Envisageant des perturbations périodiques, nous calculons ainsi l'expression du rapport des vitesses complexes des particules et du fluide. Nous étudions ensuite l'influence des forces instationnaires fluide-particule sur ce rapport. Cette approche nous permet également d'établir l'équation de dispersion d'une onde acoustique se propageant dans une suspension. à partir de cette équation, nous étudions l'évolution de la célérité et de l'amortissement de l'onde en fonction de différents paramètres (forces appliquées, échanges thermiques, concentration en particules etc. ). Le troisième chapitre concerne le comportement des particules dans un écoulement fluide donné. Trois cas sont étudiés: le tourbillon irrotationnel, les tourbillons de Rankine et de Rankine modifié. Pour chacun d'entre eux, nous déterminons le champ de vitesse, les trajectoires et le champ de masse volumique de la phase condensée.

Dans les moteurs a propergol solide segmente p230 d'ariane v, l'ecoulement interne cisaille, perturbe par les inhibiteurs, genere des tourbillons qui, par le biais de mecanismes non-lineaires, peuvent se coupler avec l'acoustique de la chambre de combustion pour creer des fluctuations de pression entretenues de basses frequences. Nous avons concu deux montagnes de simulation en gaz froid des p230, sur lesquels nous pouvons effectuer des visualisations par tomographie laser stroboscopee, des mesures d'anemometrie laser, et des mesures de fluctuations de pression acoustique. Nous avons developpe des logiciels, bases sur les theories du chaos et des bifurcations, qui permettent, a partir du signal de pression, de calculer les spectres d'amplitude, fonction d'autocorrelation, portraits de phase, sections de poincare, applications de premier retour, et premier exposant de lyapunov. Pour une configuration comportant un seuil positionne aux 3/4 de la longueur de veine totale, nos resultats confirment l'existence d'un couplage et d'une mise en resonance de l'ecoulement avec l'acoustique de la cavite fond avant-seuil. Nous caracterisons experimentalement, pour cette configuration, sept etats dynamiques distincts du systeme, et proposons un scenario d'evolution en fonction du debit global d'alimentation croissant

Les techniques à ultrasons se sont révélées être des outils puissants pour contrôler les gouttelettes dispersées immiscibles. En modelant soigneusement le champ acoustique, ces gouttelettes peuvent être triées, divisées, fusionnées, ciblées sélectivement et repositionnées avec précision. Les méthodes courantes incluent l'utilisation d'ondes stationnaires pour capturer les gouttelettes à des nœuds ou des ventres de pression spécifiques, ainsi que l'emploi d'ondes progressives pour déplacer les gouttelettes le long du chemin de propagation de l'onde. Des percées récentes ont conduit au développement de pinces acoustiques sélectives, qui utilisent des faisceaux focalisés ou des vortex acoustiques pour la manipulation précise de gouttelettes individuelles. Cependant, la manipulation par ultrasons s'est traditionnellement concentrée sur les fluides immiscibles. Karlsen, Augustsson, et Bruus [Phys. Rev. Lett. 117, 114504 2016] ont suggéré la possibilité de manipuler des fluides miscibles avec des pinces sélectives. Cependant, leurs travaux étaient purement théoriques et aucune démonstration expérimentale n'a encore été réalisée. Une telle démonstration est complexe en raison du faible contraste acoustique entre les fluides miscibles et du processus de diffusion qui brouille progressivement l'interface.Cette recherche doctorale démontre expérimentalement la possibilité de structurer, de piéger et de déplacer des fluides miscibles à l'aide de pinces acoustiques sélectives. Elle explore les interactions complexes entre les ondes ultrasonores et les fluides miscibles, en se concentrant particulièrement sur les effets acoustiques non linéaires tels que la force de radiation acoustique et le streaming acoustique, ainsi que leur influence sur le comportement des fluides à des échelles microscopiques. L'installation expérimentale intègre des pinces acoustiques à faisceau unique avec des dispositifs microfluidiques, permettant un contrôle et une manipulation précis des fluides. Les résultats expérimentaux sont comparés à des simulations numériques, révélant une bonne concordance entre les deux.Nous avons également exploré la manipulation d'autres objets avec un faible contraste acoustique : les fibres de collagène. Nos résultats préliminaires suggèrent la possibilité de manipuler ces fibres dans un milieu fluide. Cette méthode non invasive présente un potentiel d'applications en ingénierie tissulaire et en recherche biomédicale
Ultrasound techniques have proven to be powerful tools for controlling dispersed immiscible droplets. By carefully shaping the acoustic field, these droplets can be sorted, divided, merged, selectively targeted, and repositioned with precision. Common methods include using standing waves to capture droplets at specific pressure nodes or antinodes, as well as employing traveling waves to move droplets along the path of wave propagation. Recent breakthroughs have led to the development of selective acoustic tweezers, which utilize focused beams or acoustic vortices for the precise manipulation of individual droplets. However, ultrasound-based manipulation has traditionally focused on immiscible fluids. Karlsen, Augustsson, and Bruus [Phys. Rev. Lett. 117, 114504 2016] suggested the possibility of manipulating miscible fluids with selective tweezers. However, their work was purely theoretical and no experimental demonstrations have been achieved so far. Such a demonstration is very challenging because of the weak acoustic contrast between miscible fluids and the diffusion process, progressively blurring the interface.This Ph.D. research experimentally demonstrates the possibility of patterning, trapping, and dislocating high-concentration miscible-fluid blobs (Ficoll) within a lower-concentration medium (water) using selective acoustic tweezers. It delves into the complex interactions between ultrasound waves and miscible fluids, with a particular focus on nonlinear acoustic effects such as acoustic radiation force and acoustic streaming and their influence on fluid behavior at microscales. The experimental setup integrates single-beam acoustical tweezers with microfluidic devices, allowing precise control and manipulation of fluids. The experimental results are compared with numerical simulations, resulting in good agreement between the two.We further explored the manipulation of other objects with low acoustic contrast: collagen fibers. Our preliminary results suggest the possibility of manipulating these fibers within a fluid medium. This noninvasive method has potential implications in tissue engineering and biomedical research

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la manipulation par forces acoustiques de particules et de fluide à petite échelle. Nous avons construit pour cela un système où des ondes acoustiques de surface sont générées sur un substrat piézo-électrique de LiNbO3 à partir d’électrodes interdigitées, puis émises dans une cavité microfluidique, à une fréquence de l’ordre de 37 MHz soient des longueurs d’onde d'environ 100 µm.Dans le cas où deux ondes stationnaires sont émises perpendiculairement et à la même fréquence, nous montrons théoriquement et expérimentalement la présence d’un terme d’interférence qui, selon le déphasage temporel entre les deux ondes, va modifier la localisation des ventres et nœuds de pression dans la cavité, mais aussi donner lieu à des tourbillons dont l’axe de rotation est perpendiculaire au substrat.Nous montrons théoriquement que ces tourbillons proviennent de la forme particulière des écoulements redressés en paroi et, en injectant des microparticules, nous avons déterminé des vitesses angulaire de plusieurs rad/s. Leur disposition spatiale suit une périodicité d'une demi-longueur d'onde, et leur sens de rotation est alternée entre tourbillons voisins horaires et anti-horaires. Que cela soit avec des globules rouges ou des particules de latex, nous avons identifié une dynamique complexe, avec la formation d’agrégats au centre des vortex sous l’effet des forces de radiations et une répartition en différents niveaux par effet de lévitation acoustique dans l’épaisseur de la cavité, en accord avec l'analyse.Dans le cas où des particules d’une dizaine de micromètres sont utilisées, nous observons, outre l’arrangement des objets dans les nœuds de pression, une rotation individuelle de chaque objet, à des vitesses angulaires plus élevées. Nous interprétons ces observations comme la première mise en évidence d’un couple d’origine acoustique sur des microparticules et cellules biologiques à partir d’ondes acoustiques de surface, constituant l’analogue à petite échelle des effets de couples acoustiques décrits par Busse et Wang en 1981.La thèse propose une description détaillée des différentes montages électriques et microfluidiques, avec les différentes étapes conduisant à un laboratoire sur puce permettant la génération tant de forces que de couples acoustiques, mais aussi la manière de qualifier électriquement et optiquement ses performances
The focus of this PhD thesis was on particles and fluid handling through acoustic forces, at a very small scale. For this purpose, we built a micro-system based on surface acoustic waves emitted from interdigitated electrodes on a lithium niobate piezoelectric substrate. Those waves then leak into a fluid contained in a microfluidic cavity, at a frequency of 37 MHz, leading to 100 µm wavelengths.If two stationnary waves are emitted perpendicularly and at the same frequency, we theoretically and experimentally show evidence of interferences that can, depending on the time phase shift between them, nto only alter the positions of pressure nodes and antinodes in the acoustic cavity, but also give birth to acoustic vortices which axis is normal to the substrate surface.We theoretically show that those vortices come from the special behaviour of acoustic streaming due to a moving surface. Then, while injecting microparticles in the cavity, we measure angular velocities of a few rad/s. Those vortices spatial disposition follows a half-wavelength period, and their rotation alternates between neighbours: clockwise or anticlockwise. We identify a complex dynamic concerning their 3D structure, since small particles tend to aggregate in vertical columns in the center of the vortex because of radiation forces, with a vertical modulation in the height of the cavity, in good agreement with theoretical predictions.When 10 µm large particles are used instead, we observe individual rotations, even for spherical objects, with higher rotation velocities. We believe those observations to be the first evidence of an acoustic net torque exerted on micro-objects such as biological cells or beads stemming from surface acoustic waves, thus a small scale equivalent of acoustic torques described by Busse and Wang in 1981.This manuscript develops a detailed description of both electric and microfuidic devices, giving the successive steps leading to a lab on chip designed to generate acoustic forces and torques at once, and also the method for qualifying and quantifying electrically and optically its performances

Le travail a pour objet l'étude numérique de l'interaction entre un écoulement et une onde acoustique dans l'eau. Lorsqu'une onde traverse une zone de verticité de l'écoulement, elle subit une diffusion. Il est alors possible en recueillant l'onde diffusée d'obtenir des renseignements intéressants sur les écoulement insonnes. Cette méthode a ainsi été utilisée expérimentalement comme un moyen de mesure non-intrusif d'écoulements tourbillonnaires ou turbulents. On développe dans un premier temps la théorie de l'interaction entre une onde et un écoulement. On se propose pour cela de résoudre le problème de Neumann associé par une méthode intégrale pour le calcul de la pression acoustique diffusée. On compare la méthode avec celle décrite dans les travaux de Lund et Rojas qui proposent une formule analytique liant linéairement la verticité et la pression diffusée dans l'espace de Fourier, dans le cadre de l'approximation de Born en champ lointain. Par comparaison avec les études expérimentales, on explique comment on peut retrouver les caractéristiques essentielles de l'écoulement dans le cas de l'allée de Von Karman, a l'aide d'une analogie avec les réseaux de diffraction optiques. On valide ensuite ces hypothèses avec le code de calcul développent, dans le cas d'une allée obtenue à l'aide d'un modelé analytique, ou à l'aide de codes de calcul d'écoulement fondes sur une méthode particulaire ou de volumes finis. La méthode d'analyse est ensuite appliquée au cas du tourbillon seul. On montre qu'on peut remonter à la mesure de ses caractéristiques principales : taille, intensité et vitesse. On étudie ensuite le cas du tourbillon marginal derrière un profil d'aile tridimensionnel et on s'intéresse enfin à un modèle analytique d'écoulement modélisant le sillage à l'arrière d'un sous-marin.

L'industrie aéronautique cherche à réduire son empreinte environnementale et à augmenter son efficacité. Un axe de recherche porte sur la conception de moteurs plus efficients comme le CROR, pour Counter Rotating Open Rotor. Ce moteur reprend les éléments des turboréacteurs en changeant sa soufflante carénée par doublet d'hélices contrarotatives non caréné qui augmente son rendement. Il est environ 30 % plus économique qu'un turboréacteur de puissance équivalente, mais génère un bruit important.Ce bruit a plusieurs origines, dont la principale en basse vitesse (situation de décollage ou d'atterrissage) vient de l'interaction entre les hélices du doublet. La composante la plus importante dans cette interaction est l'interaction entre l'hélice aval et les tourbillons marginaux issus de l'hélice amont. Le mécanisme de génération de bruit de cette interaction est complexe. Il a été montré dans des travaux précédemment menés à l'Onera que le type de tourbillon a une influence sur le bruit généré.L'objectif de cette thèse est d'étudier le rayonnement acoustique de l'interaction orthogonale entre un tourbillon et une pale en rotation. L'étude porte sur des configurations simplifiées (pale simpliste, tourbillons analytiques).Le but est d'identifier et de hiérarchiser les paramètres déterminants de cette interaction, c'est-à-dire la géométrie de la pale et les propriétés du tourbillon, sur le bruit rayonné, puis de trouver une configuration silencieuse.Pour cela, une étude paramétrique est mise en place. Cette étude se base sur une approche numérique et utilise les codes de calcul Cassiopée et Kim développés à l'Onera. La modélisation physique utilise les équations d'Euler instationnaires dans leur formulation tridimensionnelle et compressible pour la dynamique des fluides et les équations de Ffowcs-Williams et Hawkings dans leur formulation sur surface solide en rotation pour le rayonnement acoustique. Les simulations sont réalisées à un ordre élevé et utilisent la méthode Chimère. L'analyse porte à la fois sur la réponse aérodynamique en champ proche et sur le rayonnement acoustique en champ lointain.À partir des résultats de cette étude paramétrique, il est prévu de rechercher des critères de design pour la réalisation de pales optimales et silencieuses.Il est ensuite prévu d'étudier, avec ces critères, la conception d'hélices de CROR valides autant sur le plan acoustique que sur le plan aérodynamique. Les applications de la thèse ne se limitent cependant pas qu'à ce moteur, mais à n'importe quelle configuration où la trajectoire d'une pale croise un tourbillon, comme sur un hélicoptère par exemple, pour l'interaction entre le sillage du rotor principal et le rotor de queue
The aeronautics industry focuses on decreasing its ecological footprint and increasing airplanes efficiency. One way for this is to design more efficient motors, like CROR, for Counter Rotating Open Rotor. This engine, also called propfan, is quite close to a turbofan, but with a pair of counter rotating propellers instead of ducted fan, which increase its yield. The efficiency is about 30 % higher than a turbofan of equal power, but it generates a lot of noise.This noise has several causes, the main one at low speed (typical takeoff or landing situation), is due to the interaction between propellers. The higher contribution to this interaction is the interaction between rear blades and tip vortexes generated by front blades. The noise generation process of this interaction is complex. It has been shown in previous studies at Onera that vortex kind plays an important role on the generated noise.The goal of this thesis is to identify and classify the influent parameters of this interaction on the noise generation, especially the blade geometry and the vortex properties, and then, to find a silent configuration.To this aim, a parametric study is set up. This study is based on a numerical approach and uses the Cassiopée and Kim computational softwares, developed at Onera. Physical models uses Euler unsteady equations, in their three dimensional and compressible expression, for the CFD and Ffowcs-Williams and Hawkings equations, in their rotating solid surface expression, for the CAA. Simulations are run on high orders schemes and use the Chimera method. Analyses are based on both close field fluid dynamics and far field acoustics.With the results of this parametric study, silent and optimal blades design criteria will be find out.Then, with these criteria, it will be possible to design CROR blades which are aeroacoustically efficient as well as aerodynamically efficient. The outcomes of this thesis are not limited to CROR situation only: any configuration where a blade crosses a vortex orthogonally can benefits from this study, by instance the interaction in a helicopter between the main rotor flow and the tail rotor blades

Les effets d'une perturbation acoustique sur une flamme suspendue non-prémélangée sont analysés à l'aide de dispositifs d'imagerie et de vélocimétrie. Une étude préalable sans acoustique est réalisée avec une flamme de jet libre organisé naturellement, dans la zone d'hystérésis. Dans ce cas, la flamme se stabilise toujours au niveau des éjections latérales de structures tourbillonnaires contrarotatives longitudinales issues d'instabilités secondaires. Les réponses de la flamme à une large gamme de fréquences et d'amplitudes acoustiques sont reportées sous la forme d'une cartographie. Celle-ci présente différentes zones : - Des zones hautes fréquences (de l'ordre du kilohertz) où lorsque, le forçage s'effectue proche des fréquences de résonance, la stabilisation de la flamme est améliorée grâce à une meilleure organisation du jet; ailleurs, les plus faibles modulations influent sur le développement des instabilités, pouvant entraîner le raccrochage définitif de la flamme. - Des zones moyennes fréquences (de l'ordre de l'hectohertz) où, il est possible à la fois d'empêcher la flamme de se raccrocher, et de changer le régime de combustion : la flamme devient alors plus courte, le panache, rayonnant à cause des suies, disparaît par un accroissement de la turbulence qui améliore le mélange. - Des zones basses fréquences (de l'ordre du décahertz) où les perturbations entraînent des fluctuations de la hauteur de suspension qui conduisent, selon l'amplitude, soit au raccrochage définitif de la flamme, soit à des successions d'accrochages et de décrochages. Ces différentes réponses sont observées pour différents diamètres et vitesses de sortie tout en conservant des nombres de Reynolds modérés (3000-6000) et un jet naturellement organisé
The effects of an acoustic perturbation on a non-premixed lifted flame are analysed with imagery and velocimetry techniques. First, a study without acoustics is performed with a free jet flame, naturally organized. In that case, the flame always stabilizes on lateral ejections of matter formed by counter-rotating steamwise structures due to secondary instabilities. Secondly, the responses of the flame to a large range of frequencies and amplitudes are reported in a chart. This latter one shows different zones : - In high frequency zones (kilohertz), when the forcing is applied around the resonance frequencies, the flame stability is improved because of a better jet organization; in other cases, the weakest modulations act on the development of instabilities, leading to a definive flame reattachment. - In middle frequency zones (hectohertz), it is possible to avoid the anchoring of the lifted flame and change the combustion regime, the flame is shorter, its yellow plume due to soots vanishes because of an increase of the turbulence leading to the the improvement of the mixing. - In low frequency zones (decahertz), depending on the amplitude value, perturbations lead to liftoff height fluctuations which provide, either a definitive reattachment, or successive anchoring and lifting. All these responses are observed for different diameters and exit velocities while keeping moderate Reynold numbers (3000-6000) and a naturally organized jet

Les doublets d'hélices contra-rotatives (CROR) sont un moyen alternatif aux turbofans actuels pour propulser les avions commerciaux. Un CROR est composé de 2 soufflantes coaxiales non carénées tournant dans des sens opposées. Actuellement, les CROR pourraient réduire les émissions de CO2 mais les émissions sonores pourraient être un frein à leur commercialisation. Au décollage et en condition d'approche, le son est principalement créé par la charge instationnaire subie par un des rotor. Cette charge provient de l'interaction d'un des rotors avec des fluctuations de vitesses périodiques produites par l'autre. Ce bruit d'interaction provient principalement de 3 sources principales. La première est liée à l'interaction des sillages visqueux provenant du rotor amont qui se font découper par le bord d'attaque des pales du rotor aval. La seconde est liée au potentiel de vitesse créé par le bord d'attaque des pales du rotor aval qui influence les vitesses vues au bord de fuite des pales du rotor amont. La dernière provient de l'interaction des pales du rotor aval avec les tourbillons d'extrémités créés en tête ou en pied de pale du rotor amont. Cette dernière interaction s'est avérée principale pour des conditions d'approche et de décollage. Pour réduire l'interaction tourbillon de tête - pale aval pour des conditions nominales de vol, le rayon maximal des pales du rotor aval est rogné. Le rognage classique est obtenu pour les conditions de décollage et d'approche où l'effet de contraction de la veine fluide est le plus important. Cependant, le CROR est alors considéré avec un écoulement uniforme sans angle d'incidence. Avant de prendre en compte les effets d'incidences, il peut être intéressant de prendre en compte l'angle de contraction de la veine fluide qui pour certaines configurations et points de fonctionnement est suffisant pour réactiver l'interaction paletourbillon. L'interaction est alors tridimensionnelle, toutes les composantes de la vitesse du tourbillon contribuent au bruit émis. Le but de cette étude sera d'analyser l'influence de la contraction de la veine fluide et des trois composantes de la vitesse du tourbillon de tête sur la charge instationnaire vu par la pale aval. Ces améliorations seront implémentées dans un outil de prévision de bruit de turbomachines : Optibrui. Une étude paramétrique préliminaire sera faite sur cette source. Les retombées de cette étude sont doubles. Tout d'abord, une meilleure compréhension des mécanismes d'interactions entre un tourbillon et une pale tournante dans des conditions réalistes sera possible. Ensuite, un outil rapide d'évaluation préliminaire du bruit provenant de l'interaction pale-tourbillon sera incorporé dans le but de pouvoir effectuer une optimisation aéroacoustique sur des géométries préliminaires
No abstract

Les doublets d'hélices contra-rotatives (CROR) sont un moyen alternatif aux turbofans actuels pour propulser les avions commerciaux. Un CROR est composé de 2 soufflantes coaxiales non carénées tournant dans des sens opposées. Actuellement, les CROR pourraient réduire les émissions de CO2 mais les émissions sonores pourraient être un frein à leur commercialisation. Au décollage et en condition d'approche, le son est principalement créé par la charge instationnaire subie par un des rotor. Cette charge provient de l'interaction d'un des rotors avec des fluctuations de vitesses périodiques produites par l'autre. Ce bruit d'interaction provient principalement de 3 sources principales. La première est liée à l'interaction des sillages visqueux provenant du rotor amont qui se font découper par le bord d'attaque des pales du rotor aval. La seconde est liée au potentiel de vitesse créé par le bord d'attaque des pales du rotor aval qui influence les vitesses vues au bord de fuite des pales du rotor amont. La dernière provient de l'interaction des pales du rotor aval avec les tourbillons d'extrémités créés en tête ou en pied de pale du rotor amont. Cette dernière interaction s'est avérée principale pour des conditions d'approche et de décollage. Pour réduire l'interaction tourbillon de tête - pale aval pour des conditions nominales de vol, le rayon maximal des pales du rotor aval est rogné. Le rognage classique est obtenu pour les conditions de décollage et d'approche où l'effet de contraction de la veine fluide est le plus important. Cependant, le CROR est alors considéré avec un écoulement uniforme sans angle d'incidence. Avant de prendre en compte les effets d'incidences, il peut être intéressant de prendre en compte l'angle de contraction de la veine fluide qui pour certaines configurations et points de fonctionnement est suffisant pour réactiver l'interaction pale-tourbillon. L'interaction est alors tridimensionnelle, toutes les composantes de la vitesse du tourbillon contribuent au bruit émis. Le but de cette étude sera d'analyser l'influence de la contraction de la veine fluide et des trois composantes de la vitesse du tourbillon de tête sur la charge instationnaire vu par la pale aval. Ces améliorations seront implémentées dans un outil de prévision de bruit de turbomachines : Optibrui. Une étude paramétrique préliminaire sera faite sur cette source. Les retombées de cette étude sont doubles. Tout d'abord, une meilleure compréhension des mécanismes d'interactions entre un tourbillon et une pale tournante dans des conditions réalistes sera possible. Ensuite, un outil rapide d'évaluation préliminaire du bruit provenant de l'interaction pale-tourbillon sera incorporé dans le but de pouvoir effectuer une optimisation aéroacoustique sur des géométries préliminaires.

Mécanismes de production d'une composante de bruit du rotor principal d'un hélicoptère appelé BWI qui apparaît lors d'une interaction pale-tourbillon perpendiculaire. Analyse des pressions sur pale obtenues en soufflerie pour une configuration de BWI intense et développement d'un modèle théorique de stabilité de deux filaments rectilignes parallèles porteurs de la même circulation. Avec simulation numérique de l'instabilité de courte longueur d'onde des filaments
Understanding the mecanisms responsible for the BWI noise of helicopter main rotor which occures during perpendicular blade-vortex interaction. An extensive analysis of the blade pressure is performed to get a deeper insight of the BWI mecanism. A stability analysis of modelization of the incident flow (two rectilinear and parallel filaments) is undertaken. The numerical and theoritical results are found to be in good agreement and consistent with the proposed instability hypothesis

Ce travail s'intéresse aux phénomènes instationnaires en combustion dont la maîtrise est un point clé dans le fonctionnement efficace des foyers et des moteurs. Les limites de stabilité et les mécanismes de stabilisation sont analysés pour des flammes de jets coaxiaux (méthane/air) non-prémélangés, accrochées au brûleur ou suspendues. La transition entre flamme accrochée et suspendue est caractérisée à l'aide d'un critère thermique original pour les deux processus de décrochage identifiés au cours desquels la base de flamme passe d'une extrémité essentiellement propagative à une essentiellement diffusive. Les propriétés de la flamme, suspendue en zone d'hystérésis ou de lift pur, et celles des structures tourbillonnaires du jet, détectées par une technique d'identification automatique, sont quantifiées par des diagnostics d'imagerie et de vélocimétrie. L'organisation de la couche de mélange méthane/air régit la réponse de la flamme qui passe d'une forme laminarisée à base lobée à une forme turbulente lorsque la vitesse de l'air (Uo) croît. La flamme est stabilisée par la dynamique des tourbillons contra-rotatifs issus des instabilités secondaires, initialement influencés par les vortex de Kelvin-Helmholtz. Elle s'adapte aux conditions imposées par Uo dont le rapport avec la vitesse de flamme laminaire (Sl) pilote son comportement laminarisé ou turbulent. Dans les foyers, les instabilités de combustion sont accrues par les ondes acoustiques créant divers modes en interaction avec les modes propres de l'écoulement. L'expérience est donc ajustée pour étudier la flamme soumise à un forçage sinusoïdal du méthane. Ses réponses sont discriminées en fonction des fréquences et amplitudes du forçage; augmenter Uo déplace les limites des zones identifiées, certaines pouvant même disparaître. Quel que soit Uo, forcé au voisinage : - de sa fréquence naturelle (1200 Hz), le jet présente une organisation accrue ; - de sa première surharmonique (2600 Hz), le jet se caractérise par l'apparition de modes en interaction non linéaire. Pour ces deux hautes fréquences, le forçage conduit à un mélange plus efficace, donc à une réduction de la hauteur de suspension de flamme (Hl) pour les faibles Uo. Mais cet effet est freiné avec Uo croissant, voire inversé à 2600 Hz pour Uo élevé. Aux moyennes fréquences (200 Hz), le comportement est unifié vers une flamme turbulente dont la hauteur pivote autour de celle obtenue pour Uo ~ Sl (Hl croît (diminue) pour Uo faible (élevé)). Pour toute condition (Uo, fréquence, amplitude), les mécanismes d'interaction de modes régissent la réponse de flamme à travers les structures tourbillonnaires
This work focuses on unsteady combustion phenomena whose control is a key point in the efficient operation of engines and furnaces. Stability limits and stabilization mechanisms are analyzed for flames of non-premixed coaxial jets (methane/air), anchored or lifted above the burner. The transition from attachment to liftoff is characterized by an original thermal criterion for both identified lifting processes during which the flame base passes from a mainly propagative extremity to a mainly diffusive one. The properties of the flame, lifted either in its hysteresis zone or in the liftoff zone, and those of vortical structures of the jet detected by an automatic identification technique, are quantified by imagery and velocimetry diagnostics. The organization of the methane/air mixing layer governs the flame response from a laminarized aspect with a lobed base to a turbulent one when the air velocity (Uo) is increased. The flame is stabilized by the dynamics of the counter-rotating vortices issued from secondary instabilities, influenced when they are formed by the Kelvin-Helmholtz vortices. The flame adapts to conditions imposed by Uo whose ratio with the laminar flame speed (Sl) pilots its laminarized or turbulent behavior. Inside the chambers, combustion instabilities are increased by acoustic waves creating various modes in interaction with the own modes of the stream. So, our experiment is adjusted to study the flame submitted to a sinewave forcing of the methane. Its responses are discriminated according to the forcing frequencies and amplitudes; increasing Uo shifts the limits of the identified zones, even some of them can disappear. For all Uo, forced : - near its natural frequency (1200 Hz), the jet is more ordered ; - near its first harmonic frequency (2600 Hz), the jet shows several non linearly interacting modes. For both high frequencies, forcing contributes to a better mixing, and so to a reduction of the liftoff height (Hl) for small Uo. But, this effect is weakened with Uo increase, or even reversed at 2600 Hz for high Uo. For medium frequencies (200 Hz), the behavior tends to a turbulent flame whose liftoff height pivots around a data obtained for Uo ~ Sl (Hl grows (reduces) for small (high) Uo). For any condition (Uo, frequency, amplitude), the mode interaction mechanisms govern the flame response through the vortical structures

Des sons auto-entretenus peuvent être générés par l'interaction d'un jet plan avec une plaque fendue, et se coupler avec les résonances acoustiques du conduit de soufflage. L'étude s'intéresse aux conditions optimales de production de la source aéroacoustique ainsi créée et à l'influence du couplage sur cette production. Un dispositif expérimental, basé essentiellement sur des mesures microphoniques et vélocimétriques est utilisé. Il est associé à un modèle basé sur la théorie du son tourbillonnaire (``vortex-sound''). Des informations obtenues expérimentalement sur la convection des tourbillons et leur synchronisation avec le champ acoustique permettent de compléter les données d'entrée du modèle. Une loi d'évolution de la fréquence d'émission de type ``Rossiter'' est également obtenue expérimentalement. Les résultats de modélisation permettent d'interpréter cette loi d'évolution comme la condition optimale de production de la source aéroacoustique. Le couplage entre cette source et les résonances du conduit de soufflage est également étudié. Il se fait avec les modes plans du conduit lorsque l'angle d'inclinaison de l'obstacle par rapport à la sortie du jet est faible et avec des modes non-plans dans le cas contraire. L'influence de l'admittance d'entrée du conduit sur le couplage est de plus mise en évidence dans le cas plan. Finalement, l'évolution des fréquences d'émission mesurée est expliquée par un compromis entre les conditions optimales de production de la source aéroacoustique et les conditions optimales de couplage avec le conduit de soufflage.

Cette thèse est une contribution à la réduction du bruit des CROR (Counter-Rotating Open Rotor). On s'intéresse plus particulièrement aux structures tourbillonnaires émises par l'hélice amont venant impacter les pales de l'hélice aval. L'objectif prévu de la thèse est d'explorer la possibilité de modification de ces structures en vue de réduire le bruit résultant de cette interaction au décollage. La première partie de la thèse est dédiée à leur caractérisation dans un cas particulier d'hélices (HTC5). La physique de formation de la nappe est d'abord décrite avec des outils numériques. Puis, l'essentiel de l'étude est mené sur une pale fixe reproduisant la loi de circulation d'une pale de l'hélice HTC5. Une étude expérimentale de cette pale fixe permet de déterminer les propriétés du tourbillon émis et d'éprouver la méthodologie numérique. Cette étape aboutit à la définition d'un modèle analytique permettant de décrire ce tourbillon. La seconde partie de cette thèse porte sur la modification de ces structures tourbillonnaires. Dans un premier temps, une application de concepts existant dans la littérature est réalisée sur la pale fixe de façon à observer leur impact sur les tourbillons. La réflexion menée sur ces résultats nous a amené à définir un nouveau concept de modification des structures tourbillonnaires : l'excroissance de bord d'attaque. Ce concept permet la génération de deux tourbillons co-rotatifs séparés par une zone de vorticité de signe opposé. La physique d'interaction entre ces deux tourbillons est étudiée. L'application de ce concept au CROR HTC5 permet de valider les gains acoustiques.

Ce memoire a pour principal objectif de caracteriser le comportement instationnaire d'un ecoulement engendre par injection parietale, rencontrant un obstacle. Cette etude s'integre dans le cadre de la prevision de stabilite de fonctionnement des propulseurs a propergol solide segmentes. La simulation d'un tel systeme est effectue en gaz froid permettant d'apprehender les phenomenes fondamentaux et les mecanismes energetiques mis en jeu dans l'ecoulement. Le developpement dynamique de l'ecoulement est analyse. Les structures tourbillonnaires sont identifiees par visualisation, a l'interieur d'une couche de cisaillement issue du sommet de la protection thermique. L'excitation selective et l'amplification des modes acoustiques, ainsi que les mecanismes de transfert d'energie entre modes, sont mis en evidence. La modelisation numerique du comportement instationnaire de l'ecoulement presente un bon accord avec les resultats experimentaux pour l'ecoulement moyen. De plus, les calculs numeriques montrent que l'interaction hydro-acoustique s'accorde avec les premiers modes longitudinaux theoriques. Le detachement des structures tourbillonnaires, leur developpement spatial et temporel, et leur appariement sont analyses

Les modélisations physiques actuelles des instruments de la famille des flûtes permettent de prédire correctement et d'interpréter leurs comportements quasi-stationnaires, c'est à dire les modifications du son induites par des variations lentes, par rapport au temps de réponse de l'instrument, des paramètres de contrôle .Le musicien fait cependant varier constamment ces paramètres pour articuler le discours musical. Au cours des transitoires d'attaques notamment, une variation brusque de la pression d'alimentation induit une mise en oscillation progressive de l'instrument. La naissance du son jouant un rôle important dans sa perception, la maîtrise de ces attaques est donc un point essentiel de l'apprentissage du jeu de la flûte et de la fabrication des instruments.Ce travail porte sur la caractérisation et l'interprétation physique des différents phénomènes ayant lieu au cours des transitoires d'attaque des flûtes à bec et des tuyaux d'orgue.Des attaques produites par des musiciens experts et novices sont étudiées dans le domaine spectral et temporel afin d'identifier et quantifier les mécanismes mis en jeu. La comparaison entre les différents musiciens permet de déterminer les phénomènes qu'ils contrôlent et ceux imposés par l'instrument.Après avoir modélisé l'impédance de l'ouverture au niveau du biseau, des simulations de transitoires d'attaque par modèles physique, montrent la capacité ou l'incapacité de ceux-ci à prédire et interpréter les phénomènes observés et leurs variations. Ce travail met ainsi en évidence la complexité des phénomènes contrôlés par les flutistes et les facteurs et les éléments qu'il reste à modéliser afin de pouvoir les interpréter
Current physical models of flute-like instrument allow to predict and interpret quite well the quasi-stationary behaviors associated to the sound modifications induced by a slow variation of control parameters, compared to the response time of the instrument. However, the musician varies continuously these parameters to articulate the music. During the attack transient a sharp variation of supply pressure starts progressively the vibration of the instrument. The birth of the sound plays an important role for its perception. The control of these attacks is therefore an essential point of interest for the musicians and the instrument makers.The purpose of the studies presented here is to characterize and interpret physically the different phenomena occurring during attack transients of recorders and organ pipes. Attacks played by expert or novice musicians allow to identify and quantify the mechanisms involved. The comparison between musicians allows then to determine phenomena they control and the ones imposed by the instrument.The impedance of the resonator end near the edge is then modelled and included in physical models in order to simulate attack transients. These simulations show the ability or failure of models to predict and to interpret the phenomena observed experimentally and their variability. These studies illustrate the complexity of the phenomena controlled by recorder players and instrument makers and identify the aspects that still need to be modelled in order to interpret them

Les moteurs de fusées à ergols solides (SRMs) sont sensibles aux instabilités hydrodynamiques qui peuvent déclencher des oscillations auto-entretenues de pression de grandes amplitudes lorsqu’elles se couplent à l’un des modes acoustiques du système. Le moteur de ces instabilités est la formation de structures tourbillonnaires cohérentes synchronisées par des ondes acoustiques longitudinales. Pour certaines conditions de fonctionnement, les ondes acoustiques générées par l’interaction de ces tourbillons avec la tuyère amorcée du moteur renforcent l’oscillation acoustique. L’objectif des travaux menés dans cette thèse est de déterminer l’amplitude et la fréquence des oscillations de pression au cycle limite des instabilités. Celui-ci est atteint par saturation non linéaire des sources, qui est la conséquence de la formation de grosses structures cohérentes. Dans ce cas l’interaction tourbillon tuyère devient insensible à l’amplitude de l’onde du mode acoustique établi dans le foyer. Dans ces conditions, on peut se concentrer sur l’interaction d’un tourbillon avec la tuyère dans le mécanisme de production sonore. En considérant un écoulement incompressible et l’absence de frottement, un premier modèle analytique est développé permettant de déterminer la production sonore d’un tourbillon ingéré par une tuyère bidimensionnelle plane, lorsque le tourbillon est traité comme une ligne vorticité. Des expériences précédentes indiquent que le volume de la cavité autour de l’entrée d’une tuyère intégrée a une grande influence sur l’amplitude des oscillations de pression dans les grands SRMs. On montre que ceci est dû au champ de vitesse acoustique induit par la compressibilité du gaz dans la cavité qui produit une fluctuation de vitesse transverse à la trajectoire du tourbillon. Une seconde alternative au modèle analytique incompressible est développée en considérant toujours l’absence de frottement, mais un modèle compressible de l’interaction tourbillon-tuyère. Celui-ci repose sur un code aéroacoustique pour les écoulements internes basé sur les équations d’Euler (EIA) qui est utilisé ici pour la simulation de l’interaction tourbillon-tuyère. Une étude systématique de cette interaction a été menée pour une tuyère amorcée. Les résultats ont permis de proposer un modèle de sources localisées pour des ondes planes basé sur une analyse théorique des lois d’échelles de ces phénomènes. Les simulations de ces interactions tourbillons-tuyères ont été réalisées pour différents types de tuyères. En employant un bilan énergétique, un modèle avec un seul paramètre de contrôle est formulé, qui permet de reproduire qualitativement le comportement du cycle limite d’oscillations de pression observées dans des expériences réalisées avec des gaz froids décrites dans la littérature. Finalement le modèle Euler est utilisé pour comparer la production de son par interaction tourbillon-tuyère avec celle due à l’ingestion d’une onde d’entropie, appelée aussi tache d’entropie. Contrairement au cas des tourbillons, le bruit produit par ingestion de taches d’entropie n’est pas sensible au volume de la cavité d’une tuyère intégrée. Ces résultats indiquent que le bruit produit par les tourbillons est dominant dans le cas des SRMs étudiés. L’ensemble de ces travaux permet d’améliorer la compréhension des phénomènes d’interaction entre des non-homogénéités de l’écoulement et la tuyère. Elle permet surtout de déterminer quels sont les facteurs de l’écoulement et les éléments géométriques importants qui pilotent le niveau sonore produit par ces interactions. Les modèles développés dans ces travaux, avec divers degrés d’approximation et de complexité permettent d’enrichir la gamme des outils de conception des SRMs
Solid Rocket Motors (SRMs) can display self-sustained acoustic oscillations driven by coupling between hydrodynamic instabilities of the internal flow and longitudinal acoustic standing waves. The hydrodynamic instabilities are triggered by the acoustic standing wave and results in the formation of coherent vortical structures. For nominal ranges of flow conditions the sound waves generated by the interaction between these vortices and the choked nozzle at the end of the combustion chamber reinforces the acoustic oscillation. Most available literature on this subject focuses on the threshold of instability using a linear model. The focus of this work is on the prediction of the limit-cycle amplitude. The limit-cycle is reached due to nonlinear saturation of the source, as a consequence of the formation of large coherent vortical structures. In this case the vortex-nozzle interaction becomes insensitive to the amplitude of the acoustic standing wave. Hence, one can focus on the sound generation of a vortex with the nozzle. Sound production can be predicted from an analytical two-dimensional planar incompressible frictionless model using the so-called Vortex Sound Theory. In this model the vorticity is assumed to be concentrated in a line vortex. Experiments indicate that the volume of cavities around so-called “integrated nozzles” have a large influence on the pulsation amplitude for large SRMs. This is due to the acoustical field normal to the vortex trajectory, induced by the compressibility of the gas in this cavity. As an alternative to the incompressible analytical model a compressible frictionless model with an internal Euler Aeroacoustic (EIA) flow solver is used for simulations of vortex-nozzle interaction. A dedicated numerical simulation study focusing on elementary processes such as vortex-nozzle and entropy spot-nozzle interaction allows a systematic variation of relevant parameters and yields insight which would be difficult by means of limit cycle studies of the full engine. A systematic study of the vortex-nozzle interaction in the case of a choked nozzle has been undertaken. The results are summarized by using a lumped element model for plane wave propagation, which is based on theoretical scaling laws. From EIA simulations it appears that sound due to vortex-nozzle interaction is mainly generated during the approach phase and that for the relevant parameter range there is no impingement of the vortex on the nozzle wall as has been suggested in the literature. Using an energy balance approach, a single fit-parameter model is formulated which qualitatively predicts limit-cycle observations in cold gas-scale experiments reported in the literature. Finally the Euler model is used to compare the sound production by vortex-nozzle interaction with that due to the ingestion of an entropy non-uniformity also called entropy spot. In addition to insight, this study provides a systematic procedure to develop a lumped element model for the sound source due to non-homogeneous flow-nozzle interactions in SRMs. Such lumped models based on experimental data or a limited number of flow simulations can be used to ease the design of SRMs

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse concernent les interactions qui existent entre la dynamique tourbillonnaire, générée par un jet isotherme impactant une plaque fendue chauffée, et les champs acoustiques rayonnés par cet écoulement. En effet, nous retrouvons les jets heurtant une grille ou une plaque fendue dans les dispositifs terminaux qui équipent les systèmes de traitement et de renouvellement d’air dans les enceintes habitables. Ils ont été intégrés pour améliorer le mélange et éviter les sensations de courants d’air. Mais dans certaines configurations de soufflage et de confinement ces jets impactants deviennent sources de nuisances sonores, avec l’installation de boucles de sons auto-entretenus qu’ils génèrent. Ces sons auto-entretenus se produisent lorsque l’écoulement interagit avec un obstacle muni de fentes placé sur sa trajectoire. Ainsi, une onde acoustique est générée dans la zone où les structures tourbillonnaires du jet heurtent la plaque fendue, se propage vers l’amont et produit une modulation de la couche de cisaillement près de la sortie du jet et une amplification des instabilités. Cette boucle de rétroaction optimise le transfert d’énergie du champ aérodynamique vers le champ acoustique et crée une source de bruit aéro-acoustique qui peut atteindre des niveaux sonores élevés. Pour mener cette étude, nous nous sommes basés sur un dispositif expérimental capable de simuler les différentes configurations d’écoulements prospectées. Nous avons également utilisé une métrologie spécifique capable de contrôler et de synchroniser le chauffage de la plaque, les mesures acoustiques, et les acquisitions d’images de particules, pour accéder aux champs cinématiques instantanés par une technique de vélocimétrie de plein champ résolue en temps et dans l’espace. Ainsi, des cartes des niveaux acoustiques et des fréquences les plus énergétiques en fonction du rapport d’impact et du nombre de Reynolds ont été établies. L’analyse de ces courbes fait apparaitre des configurations où le bruit généré a un spectre de raies, de fortes intensités, témoignant d’un écoulement organisé. Pour ces configurations, un examen de l’influence de la température de la plaque, heurtée par le jet, sur les grandeurs cinématiques, dynamiques et acoustiques de l’écoulement a été réalisé. Et des tendances marquées ont été relevées
The work carried out within the framework of this thesis concerns the interactions which exist between the vortex dynamics, generated by an isothermal jet impinging on a heated slotted plate, and the acoustic fields radiated by this flow. In fact, impinging jets on slotted plates or meshes are found the terminal parts of ventilation and air treatment systems found in the residential enclosures. They are incorporated to improve mixing and avoid the feeling of air discomfort. But in certain blowing and confinement configurations, these impinging jets become sources of noise pollution, with the installation of self-sustaining sound loops that they generate. These self-sustaining sounds occur when the flow interacts with an obstacle with slots placed in its path. Thus, an acoustic wave is generated in the area where the vortex structures of the jet hit the slotted plate, propagate upstream and produce a modulation of the shear layer near the exit of the jet and an amplification of the instabilities. This feedback loop optimizes the energy transfer from the aerodynamic field to the acoustic field and creates an aero acoustic noise source that can cause high sound levels. To carry out this study, we relied on an experimental device capable of simulating the different flow configurations to be analyzed. We also used a specific metrology capable of controlling and synchronizing the heating of the plate, the acoustic measurements, and the particle image acquisitions, to access the instantaneous kinematic fields by a full-field velocimetry technique resolved in time and in space. Thus, maps of the most energetic sound levels and frequencies as a function of impact ratio and Reynolds number were established. Analysis of these curves reveals configurations where the noise generated has a spectrum of lines, of high intensities, testifying the existence of an organized flow. For these configurations, an examination of the influence of the temperature of the plate, struck by the jet, on the kinematic, dynamic and acoustic quantities of the flow was carried out. And marked trends were noted

La première partie concerne les interactions acoustique-vorticité dans les écoulements cisaillés linéaires incompressibles, qui peuvent être décomposés en la somme d’une partie hyperbolique et d’une partie rotation solide. L’écoulement de Couette en est un exemple. En utilisant la démarche non-modale , les équations d’évolution de perturbations compressibles se réduisent à une EDO de dimension trois en temps, qui dépend d’un paramètre adimensionné ε représentant le rapport entre le taux de cisaillement de l’écoulement et la fréquence des perturbations. Pour ε faible, la méthode WKB permet d’exhiber naturellement trois modes (deux modes acoustiques et un mode de vorticité) et permet de mettre en évidence des couplages entre ces modes. Ces couplages sont exponentiellement faible en 1/ε, et ne peuvent être pris en compte par une méthode asymptotique. Ils semblent être liés à la partie hyperbolique de l’écoulement. La seconde partie traite de la réflexion d'une onde par une surface de géométrie complexe. Une transformation conforme permet de transformer une frontière complexe en une frontière plane, mais fait apparaître des coefficients non constants dans les équations en volume. Celles-ci sont résolues au moyen de la méthode de la matrice d’impédance multimodale qui ramène le problème à une équation de Riccati pour la matrice d’impédance. Une méthode pour trouver des géométries admettant des modes piégés est proposée. Puis la méthode de résolution est appliquée à la modélisation de la couche limite visqueuse d’un fluide oscillant au contact d’une surface complexe périodique. Une solution perturbative est proposée. La présence de zones de recirculation est étudiée
The first part is a study of the interactions between acoustic and vorticity perturbations in linear incompressible shear flows, which can decomposed as a sum of a hyperbolic part and of a rigid rotation part. The plane Couette flow is an example of such flows. By using the non-modal approach, the equations governing the evolution of compressible perturbations reduce to an ODE of dimension three in time, which depends on a dimensionless parameter ε representing the ratio between the shear rate of the flow and the frequency of the perturbations. For small ε values, the WKB method allows us to exhibit naturally three modes (two acoustic modes and one vorticity mode) and to highlight couplings between these modes. These couplings are exponentially small in 1/ε, and cannot be taken into account by an asymptotic method. They seem to be linked to the hyperbolic part of the flow.The second part deals with the reflection of a wave by a geometrically complex surface. A conformal mapping allows us to transform a complex boundary into a plane boundary, but makes appear varying coefficients in the bulk equations. These equations are then solved with the multimodal impedance matrix method, which reduce the problem to a Riccati equation for the impedance matrix. A method to find geometries allowing for the existence of trapped modes is proposed. Then the solving method is applied to the modeling of the viscous boundary layer of a fluid oscillating near a periodical rough surface. A perturbative solution is proposed. The presence of recirculation areas is studied

La présente étude porte sur le bruit de raies d'un rotor principal d'hélicoptère en régime subsonique. Après une synthèse des différentes approches faites sur ce thème, une méthode dans le domaine des fréquences est proposée et comparée à une méthode temporelle plus classique. Pour les domaines de vitesse considérés, il s'avère que les deux sources principales du bruit de raies sont : - le bruit d' épaisseur, de type monopolaire , - le bruit de charge, de type dipolaire. Un programme de prévision de bruit a été mis au point permettant l'étude de ces deux sources. Il en ressort que les facteurs influant sur le bruit d’épaisseur sont, d'une part, les nombres de Mach d'avancement et de rotation en bout de pale avançante et, d'autre part, les caractéristiques géométriques des pales du rotor. Pour le bruit de charge, l'étude est plus complexe car liée aux données issues d'un calcul aérodynamique. Néanmoins, l’utilisation de la méthode fréquentielle, associée à une décomposition harmonique des charges exercées sur le rotor, présente des avantages pour la poursuite future de ce travail, dans le cas du problème des interactions pale-tourbillon. Enfin, dans le but de prévoir les niveaux sonores perçus dans les conditions de certification acoustique des hélicoptères, la réflexion au sol des ondes sonores et l'effet Doppler ont été introduits dans le modèle de calcul.

Une étude expérimentale d’un jet d’air plan heurtant une plaque fendue a été menée. Cette étude a été réalisée pour deux nombres de Reynolds Re=5900 et Re=6700, avec un rapport d’impact L/H=4. Les écoulements associés produisent des sons auto-entretenus. Leurs dynamiques tourbillonnaires ainsi que les champs acoustiques rayonnés présentent des comportements atypiques. Afin de réduire les nuisances sonores dues à l’installation de sons auto-entretenus, un mécanisme de contrôle (tige de 4 mm) a été installé dans l’écoulement pour perturber la dynamique tourbillonnaire responsable de l’installation du son auto-entretenu. L’influence de 1085 positions de la tige entre la sortie du jet et la plaque fendue a été étudiée. Des moyens et des codes spécifiques ont été développés pour des investigations appropriées notamment une technique laser optique spécifique de double SPIV en un seul plan « D-SPIV » a été conçue réalisée. En absence de la tige, pour se renseigner sur la dynamique tourbillonnaire des écoulements pour les deux Reynolds Re=5900 et Re=6700, des mesures SPIV ont été réalisées permettant ainsi de caractériser les états de références des deux écoulements. Pour le premier nombre de Reynolds (Re=5900), deux boucles de sons auto-entretenus ont été mises en évidence. Une à la fréquence de 160 Hz et l’autre à la fréquence de 320 Hz. Ces deux boucles, installées, sont caractérisées respectivement par les organisations tourbillonnaires symétriques et antisymétriques du jet qui alternent dans le temps d’une façon aléatoire. Cependant, le régime antisymétrique à la fréquence 320 Hz est plus persistant dans le temps. Pour le deuxième nombre de Reynolds (Re=6700), l’étude dynamique de l’écoulement a montré que le jet est antisymétrique avec une fréquence de détachement tourbillonnaire de 380 Hz alors que la fréquence la plus énergétique qui caractérise le son auto-entretenu de l’écoulement est de 168 Hz. Lors de la mise en place du mécanisme de contrôle par l’installation de la tige, pour les deux nombres de Reynolds étudiés, il a été trouvé deux zones de contrôle. La première zone est sur l’axe du jet. Lorsque la tige est positionnée dans cette zone, le niveau de pression acoustique baisse d’environ 20 dB. De plus, il y a une disparition de la boucle de sons auto-entretenus. Lorsque la tige occupe des positions dans la deuxième zone qui est située aux environs de la tangente inférieure du jet, le niveau acoustique augmente d’environ de 12 dB. Cependant, il y a disparition de la boucle de sons auto-entretenus. Pour les deux nombres de Reynolds, l’étude de la dynamique des écoulements en présence de la tige, montre que lorsque la tige est installée dans la zone 2, le jet est dévié et une partie des structures tourbillonnaires passe directement par la fente sans se déformer expliquant ainsi la disparition de la boucle d’auto-entretien et l’augmentation de 12 dB du niveau acoustique du champ rayonné, alors que le débit à travers la fente est réduit d’environ 50 %. Lorsque la tige est installée dans la zone 1, aucune structure ne passe par la fente ce qui explique la disparition de la boucle d’auto-entretien et la baisse du niveau de pression acoustique d’environ 20 dB. L’activité tourbillonnaire installée de part et d’autre de la fente crée des zones de recirculations inversant ainsi le débit à travers la fente
An experimental study of a rectangular jet of air impinging on a slotted plate is considered in this work. This study is performed for two Reynolds numbers Re = 5900 and Re = 6700, with an impact ratio L/H=4, where L is the plate-to-nozzle distance and H is the height of the slot. This configuration consists of a flow producing self-sustaining tones. Atypical behavior of the flow through its vortices and acoustic field is found in this study. In order to reduce the noise generation, a control mechanism comprising a 4mm rod is installed in the flow to disturb the vortex dynamics responsible for the loop of self-sustaining tones installed along the jet. A total of 1085 rod positions are tested between the nozzle and the impinged plate in order to find optimal positions. Specific metrologies and codes are developed for appropriate investigations. In particular, a laser technique consisting of double Stereoscopic PIV in a plane « D-SPIV » is employed.In the absence of the rod, in order to visualize the vortex dynamics for both Reynolds numbers Re = 5900 and Re = 6700, SPIV measurements are performed. This allows to characterize these flows in their reference states. For the first Reynolds number (Re = 5900), two self-sustaining tones loops are highlighted. The first has a frequency of 160 Hz and the second has a frequency of 320 Hz. These two loops characterize respectively a symmetric and an asymmetric vortex organization of the jet and alternate in a random pattern with respect to time. The asymmetric regime (f=320 Hz) is more persistent over time. For the second Reynolds number (Re = 6700), the dynamic study of the flow shows that the jet is asymmetric with a vortex shedding frequency equal to 380 Hz, while the more energetic frequency which characterizes the self-sustaining tones of the flow is equal to 168 Hz.When control mechanism is employed through the rod, for both Reynolds numbers, two control zones could be distinguished. The first one is on the axis of the jet. Once the rod is positioned in this zone, the sound pressure level drops by approximately 20 dB. Moreover, the self-sustaining tones loop disappears. When the rod is positioned in the second zone which is located around the lower mixing layer of the jet, the sound pressure level increases by about 12 dB and the self-sustaining tones loop disappears.The study of the dynamics of the flow in the presence of the control mechanism for both Reynolds numbers shows a deflection of the jet when the rod is installed in the second zone (near from the lower mixing layer of the jet). Actually, a part of the vortices escape directly through the slot of the plate without deformation, what explains the disappearance of the self-sustaining loop and the increase of the acoustic level by 12 dB. At the same time, the flow rate through the slot is reduced by about 50%. When the rod is installed in the first zone (on the axis of the jet), no vortices are found to escape through the slot of the plate what explains the disappearance of the self-sustaining loop and the drop in sound pressure level by approximately 20 dB. The vortex activity on both sides of the slot creates recirculation zones in such a way that the flow through the slot is reversed

La localisation de sources aéroacoustiques sur les corps automobiles est actuellement un sujet d’intérêt majeur pour les industriels. Le traitement d’antenne microphonique par formation de voies (beamforming) est une méthode robuste, classiquement utilisée dans ce cadre. L’objectif principal de ce manuscrit concerne ainsi la détection de sources aéroacoustiques sur des corps non profilés. Deux configurations expérimentales sont envisagées : une marche montante qui représente un cas académique, et un corps tridimensionnel générant des structures tourbillonnaires de type montant de baie se rapprochant du cadre de l’industrie automobile. La localisation de sources par formation de voies classique a permis d’identifier, pour différentes gammes de fréquence, les principales régions d’émission acoustique, à savoir : les zones tourbillonnaires amont et aval sur la marche et les montants de baie latéraux sur le corps tridimensionnel. De plus, des tendances similaires dans les mesures de pression pariétale fluctuante et de pression acoustique en champ lointain ont été observées. L’étude s’est ensuite dirigée vers la détection d’intermittences acoustiques afin de déterminer dans quelle mesure, à l’instar du bruit de jet, le bruit d’écoulement en présence d’obstacle présente un caractère intermittent. Un processus de seuillage sur le champ lointain mesuré a permis de sélectionner des événements représentant 80% de l’énergie du signal original et 20% de sa durée sur les deux configurations. Une méthode de formation de voies temporelle, en lien direct avec la technique de retournement temporel, a été développée afin de réaliser une imagerie de sources aéroacoustiques en fonction du temps.L’utilisation de cette technique permet de montrer que les événements sélectionnés à partir du seuillage correspondent à des sources intermittentes dont on peut déterminer les lieux et les instants d’émission (obéissant à une distribution statistique Gamma). Le bruit aéroacoustique généré par les corps non profilés considérés dans cette étude peut donc être vu comme une succession d’événements intermittents identifiables. Enfin, la reconstruction des signaux acoustiques à partir d’une famille d’ondelettes a été effectué. Les spectres du signal original et filtré sont fortement semblables, une différence de l’ordre de 10% ayant été observée entre eux pour les deux maquettes, confirmant l’importance des événements intermittents dans le rayonnement aéroacoustique des corps non profilés
The localization of aeroacoustic sources of automotive bodies is currently a topic of major interest to industry. Beamforming is a robust method typically used in this context. The main objective of this thesis relates to the detection of aeroacoustic sources on bluff bodies. Two experimental configurations are considered : a forwardfacing step that is an academic event, and a three dimensional bluff body generating A-pillar vortices approaching the automotive industry. Source localization through classical beamforming has enabled to detect the main regions of acoustic emission for different frequency ranges, namely : upstream and downstream vortices around thestep and A-pillar vortices generated on both sides of the 3D bluff body. In addition, relationships have been observed between wall pressure fluctuations and acoustic field radiated. The study was then directed to the detection of intermittent acoustic events to determine whether, like jet noise, the noise radiated by an obstacle in the flow is composed of intermittent signatures. A thresholding process on the far field measurements was used to select events representing 80% of the energy of the original signal and 20% of its time for both configurations. A time-domain beamforming algorithm, directly linked to the time reversal technique, has been developed to achieve a spatio-temporal information about the intermittent noise sources. The use of this technique has proved that the events selected with the tresholding technique correspond to intermittent acoustic sources which space and time informations canbe determined (they follow a Gamma distribution). The aeroacoustic noise radiated by the bluff bodies considered in this study can therefore be seen as a succession of intermittent events that can be identified. Finally, the reconstruction of intermittent acoustic signals using a family of wavelets was performed. The Fourier spectra of the original and reconstructed signals are highly similar, a difference of about 10% was observed, confirming the importance of intermittent events in the noise radiated by bluff bodies

The effects of vortices on the propagation of acoustic waves are numerous, from simple convection effects to instabilities in the acoustic phenomena, including absorption,

reflection and refraction effects. This work focusses on the effects of mean flow

vorticity on the acoustic propagation. First, a theoretical background is presented

in chapters 2-5. This part contains: (i) the fluid dynamics and thermodynamics

relations; (ii) theories of sound generation by turbulent flows; and (iii) operators taken

from scientific literature to take into account the vorticity effects on acoustics. Later,

a family of scalar operators based on total enthalpy terms are derived to handle mean

vorticity effects of arbitrary flows in acoustics (chapter 6). Furthermore, analytical

solutions of Pridmore-Brown’s equation are featured considering exponential boundary

layers whose profile depend on the acoustic parameters of the problem (chapter 7).

Finally, an extension of Pridmore-Brown’s equation is formulated for predicting the

acoustic propagation over a locally-reacting liner in presence of a boundary layer of

linear velocity profile superimposed to a constant cross flow (chapter 8).

Doctorat en Sciences de l'ingénieur
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Un jet heurtant une plaque fendue peut générer, dans certaines configurations, des nuisances sonores. En effet, l’interaction de l’écoulement et de l’obstacle au niveau de la fente, sous certaines conditions, donne naissance à une perturbation remontant l’écoulement et pouvant contrôler son détachement à sa naissance. La perturbation produite par cette boucle de rétroaction optimise le transfert d’énergie du champ aérodynamique du jet vers le champ acoustique rayonné. Afin d’appréhender la dynamique tourbillonnaire, d’analyser les couplages entre cette dernière et les émissions sonores générées et de mieux comprendre les phénomènes responsables de ces nuisances, un dispositif expérimental basé sur de la métrologie laser a été réalisé. Ce système permet, d’une part, la génération de l’écoulement et la maitrise de ses paramètres (confinement, vitesse, forme,…) et d’autre part, la réalisation de plans lasers et de mesures par imagerie de particules (PIV). Ainsi le travail présenté dans ce manuscrit concerne les couplages qui existent entre la dynamique de l’écoulement heurtant une plaque fendue et les champs acoustiques générés. Les mesures de champs cinématiques d’un jet plan heurtant une plaque fendue par Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) sont réalisées simultanément avec des mesures de champs acoustiques. Après avoir caractérisé les écoulements étudiés, on présente par des graphes spatio-temporels, les corrélations entre les signaux acoustiques et les vitesses de l’écoulement depuis la sortie du jet jusqu’à son arrivée à la plaque fendue. Ces corrélations sont calculées de deux manières : à partir de signaux bruts dans un premier temps, puis, dans un second temps, avec une méthode de pré-blanchiment (terme anglo-saxon : ‘’pre-whitening’’). Cette méthode vise à mettre en exergue l’existence d’une instabilité globale du jet qui existe dans les signaux analysés. Cette instabilité est importante pour la boucle de rétroaction des sons auto-entretenus, mais quasiment masquée devant les phénomènes principaux dominants (tourbillons primaires) dans le calcul des inter-corrélations
Self-sustaining sounds related to aero-acoustic coupling occurs in impinging jets when a feedback loop is present between the jet exit and a slotted plate: the downstream-convected coherent structures and upstream-propagating pressure waves generated by the impingement of the coherent structures on the plate are phase locked at the nozzle exit. The upstream-propagating waves excite the thin shear layer near the nozzle lip and result in periodic coherent structures. The period is determined by the convection speed of the coherent structures and the distance between the nozzle and the plate. Simultaneous measurements of the velocity fields and the acoustic waves in a plane jet impinging a slotted plate were performed using time-resolved particle image velocimetry (PIV) and a microphone. A better understanding of the flow physics and the aero-acoustic coupling are obtained thanks to spatio-temporal cross-correlations between the transverse velocity and the acoustic signals. Cross-correlations are calculated using two different methods: classical analysis of the original signals and by developing a pre-whitening technique. The latter method is useful for analyzing small random signals superimposed on a high amplitude pure tone

The present research is an experimental and numerical study of aeroacoustic phenomena occurring in large solid rocket motors (SRM) as the Ariane 5 boosters. The emphasis is given to aeroacoustic instabilities that may lead to pressure and thrust oscillations which reduce the rocket motor performance and could damage the payload. The study is carried out within the framework of a CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) research program.

Large SRM are composed of a submerged nozzle and segmented propellant grains separated by inhibitors. During propellant combustion, a cavity appears around the nozzle. Vortical flow structures may be formed from the inhibitor (Obstacle Vortex Shedding OVS) or from natural instability of the radial flow resulting from the propellant combustion (Surface Vortex Shedding SVS). Such hydrodynamic manifestations drive pressure oscillations in the confined flow established in the motor. When the vortex shedding frequency synchronizes acoustic modes of the motor chamber, resonance may occur and sound pressure can be amplified by vortex nozzle interaction.

Original analytical models, in particular based on vortex sound theory, point out the parameters controlling the flow-acoustic coupling and the effect of the nozzle design on sound production. They allow the appropriate definition of experimental tests.

The experiments are conducted on axisymmetric cold flow models respecting the Mach number similarity with the Ariane 5 SRM. The test section includes only one inhibitor and a submerged nozzle. The flow is either created by an axial air injection at the forward end or by a radial injection uniformly distributed along chamber porous walls. The internal Mach number can be varied continuously by means of a movable needle placed in the nozzle throat. Acoustic pressure measurements are taken by means of PCB piezoelectric transducers. A particle image velocimetry technique (PIV) is used to analyse the effect of the acoustic resonance on the mean flow field and vortex properties. An active control loop is exploited to obtain resonant and non resonant conditions for the same operating point.

Finally, numerical simulations are performed using a time dependent Navier Stokes solver. The analysis of the unsteady simulations provides pressure spectra, sequence of vorticity fields and average flow field. Comparison to experimental data is conducted.

The OVS and SVS instabilities are identified. The inhibitor parameters, the chamber Mach number and length, and the nozzle geometry are varied to analyse their effect on the flow acoustic coupling.

The conclusions state that flow acoustic coupling is mainly observed for nozzles including cavity. The nozzle geometry has an effect on the pressure oscillations through a coupling between the acoustic fluctuations induced by the cavity volume and the vortices travelling in front of the cavity entrance. When resonance occurs, the sound pressure level increases linearly with the chamber Mach number, the frequency and the cavity volume. In absence of cavity, the pressure fluctuations are damped.

Doctorat en sciences appliquées
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The Counter-Rotating Open Rotors (CROR) are identified as a possible alternative to turbofan engines for middle-range aircrafts. Providing significant fuel savings and reducing the green-house gas emissions, they may lead however to an increased noise radiation due to the absence of nacelle shielding. To properly predict the acoustic radiation of such systems is then mandatory both to reduce the source mechanisms of the isolated engine and to offer an optimal noise installation solution. Such an objective is tackled in the present thesis in two steps. In a first part, the research aims at predicting the tonal noise radiated from the first propeller of CROR mounted on the rear fuselage by means of a pylon (pusher configuration), considering both the pylon-wake and the uniform ow effects. From the Ffowcs Williams & Hawkings' formalism, three noise sources are identified. First the unsteady loading is computed using a similar procedure to the one used for the rotor-rotor wake interaction noise prediction. The velocity deficit in the pylon wake is locally expanded in two-dimensional Fourier gusts in a reference frame attached to the front rotor. The unsteady lift induced by each gust on a blade segment is calculated using a linearized analytical response function that accounts for a realistic geometry. The steady loading is the second source contribution and is evaluated using both a software based on the lifting-line theory and some numerical simulations for different reference source surfaces. Finally the thickness noise due to the blade volume displacement is included in the analysis using Isom's formulation. From the linear acoustic assumptions, all these sources modelled as equivalent acoustic dipoles rotating in a uniformly moving atmosphere are then summed to calculate the far-field noise. The whole methodology is assessed against wind-tunnel test data and reference software predictions. A parametric study considering several pylon positionings and pylon-wake configurations with blowing is performed in order to emphasize the relative contribution of the three noise sources. Secondly, the rotor- rotor wake interaction noise being recognized as the most significant contribution in isolated configuration, its modelling is completed by introducing the dynamics of the vortex occurring near the rear-rotor leading edge. A semi-analytical methodology is developed to determine a vortex attached over a at plate embedded in a uniform ow with incidence. Applied to the case of a rear blade going through a front-rotor wake, it provides a first estimate of the noise contribution of the vortex
Les hélices contrarotatives constituent une alternative possible aux turboréacteurs pour les avions moyens- courriers. Réduisant significativement la consommation de carburant et les émissions de gaz à effet de serre, ils peuvent néanmoins conduire à un rayonnement sonore accru de par l'absence de carénage. Prédire correctement le rayonnement sonore de telles motorisations est donc indispensable pour réduire les mécanismes sources propres au moteur isolé ou assurer une solution d'installation acoustique optimale. Un tel objectif est abordé dans cette thèse en deux temps. Dans un premier temps, l’étude vise à prédire le bruit tonal rayonné par la première hélice d'un moteur monté à l'arrière du fuselage (configuration dite en pousseur), en considérant les effets du sillage du pylône supportant le moteur et de l'écoulement moyen. Partant du formalisme de Ffowcs Williams & Hawkings, trois sources sonores sont identifiées à cet effet. La charge instationnaire, tout d'abord, est calculée en s'appuyant sur une méthodologie similaire à celle utilisée pour la prédiction du bruit d'interaction de sillages entre les deux rotors. Le déficit de vitesse dans le sillage du mât est décomposé localement en rafales bidimensionnelles dans un repère attaché au rotor amont. La portance instationnaire induite par chaque rafale sur un segment de pale est calculée en utilisant une fonction de réponse analytique linéarisée considérant une géométrie réaliste. Deuxième contribution, la charge stationnaire est évaluée au moyen d'un logiciel s'appuyant sur la théorie de la ligne portante mais également via des simulations numériques pour différentes surfaces sources de référence. Enfin, le bruit d'épaisseur associé au déplacement du volume de la pale est inclus dans l'analyse à partir de la formulation d'Isom. D'après les hypothèses de l'acoustique linéaire, toutes ces sources modélisées comme des dipôles acoustiques tournant dans une atmosphère uniforme en mouvement sont ensuite sommées pour calculer le bruit en champ lointain. L'ensemble de la méthodologie est comparé à des données d'essai et des prédictions d'un logiciel de référence. Une étude paramétrique considérant plusieurs positionnements du pylône et des configurations avec soufflage est effectuée afin de bien mettre en évidence les contributions relatives des trois sources sonores. Dans un deuxième temps, le bruit d'interaction de sillages étant reconnu comme la contribution majoritaire en configuration isolée, sa modélisation est complétée en introduisant la dynamique du tourbillon se développant au voisinage du bord d'attaque du rotor aval. Une méthodologie semi-analytique est développée pour déterminer un tourbillon attaché au-dessus d'une plaque plane plongée dans un écoulement uniforme avec incidence. Appliquée au cas d'une pale aval traversant le sillage du rotor amont, elle fournit une première estimation de la contribution sonore du tourbillon