Adaptation des méthodes et outils aéroacoustiques pour les jets en interaction dans le cadre des lanceurs spatiaux.

Adaptation of aeroacoustic methods and tools for interacting jets in the context of space launchers

• Auteur / Autrice : Adrien Langenais
• Direction : Christophe Bailly
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, Energétique, Génie Civil et Acoustique
• Date : Soutenance le 07/02/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône) - Office national d'études et de recherches aérospatiales (France)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Gloerfelt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Bailly, Estelle Piot, François Vuillot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Régis Marchiano, Yves Gervais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lanceurs (astronautique)

Aéroacoustique

Mots clés libres

Aéroacoustique

Bruit de jet supersonique

Simulation numérique

CFD

Navier-Stokes

Simulation aux grandes échelles

Déclenchement de la turbulence

CAA

Euler

Galerkine discontinu

Ordre élevé

Acoustique non-linéaire

Couplage fort

Maillage non-structuré

Aeroacoustics

Supersonic jet noise

Numerical simulation

CFD

Navier-Stokes

Large-eddy simulation

Turbulence tripping

CAA

Euler

Discontinuous galerkin

High-order

Nonlinear acoustic

Two-way coupling

Unstructured grid

Résumé

Lors d’un lancement spatial, le bruit des jets supersoniques chauds, générés par les moteurs-fusées au décollage et en interaction avec le pas de tir, est dommageable pour le lanceur et en particulier sa charge utile. Par conséquent, les acteurs du spatial cherchent à renforcer leur compréhension et leur maîtrise de cette ambiance acoustique, entre autres grâce à des méthodes et outils numériques. Toutefois, ils ne disposent pas d’une approche numérique globale capable de prendre en compte simultanément la génération fidèle du bruit, la propagation acoustique non-linéaire, les effets d’installation complexes et les géométries réalistes, pourtant inhérents aux applications spatiales. Dans cette optique, cette étude consiste à mettre en place et valider une méthodologie de simulation numérique par couplage fort Navier-Stokes − Euler, puis à l’appliquer à des cas réalistes de bruit de jet supersonique. L’objectif est d’affiner les capacités de prévision et de contribuer à la compréhension des mécanismes de génération de bruit dans de tels jets. Le solveur Navier-Stokes repose sur une méthode LES sur maillage non-structuré et le solveur acoustique sur une méthode de Galerkine discontinue d’ordre élevé sur maillage non-structuré. La méthodologie est tout d’abord évaluée sur des cas académiques visant à valider la simulation par couplage fort. Après des calculs préliminaires, la méthodologie est appliquée à la simulation du bruit d’un jet libre supersonique à Mach 3.1. Une méthode de déclenchement géométrique de la turbulence est implémentée sous la forme d’une marche à la paroi de la tuyère. La simulation aboutit à des estimations du bruit très proches des mesures réalisées au banc MARTEL et met en évidence des effets non-linéaires significatifs ainsi qu’un mécanisme singulier de rayonnement des ondes de Mach. Dans une démarche de progression vers des cas toujours plus réalistes, l’ensemble de l’approche numérique est finalement adaptée avec succès à la simulation du bruit d’un jet en présence d’un carneau. À terme, elle pourra être étendue à des configurations multi-jets réactifs, avec injection d’eau, voire à l’échelle 1.

During a space launch, the noise from hot supersonic jets, generated by rocket engines at liftoff and interacting with the launch pad, is harmful to the launcher and in particular its payload. Consequently, space actors are seeking to strengthen their understanding and control of this acoustic environment through numerical methods and tools, among the others. However, they do not dispose of a comprehensive numerical strategy that can simultaneously take into account accurate noise generation, nonlinear acoustic propagation, complex installation effects and realistic geometries, which are inherent to space applications. For this purpose, the present study consists in setting up and validating a numerical simulation methodology using a Navier-Stokes − Euler two-way coupling approach, then applying it to realistic cases of supersonic jet noise in order to improve prediction capabilities and contribute to the understanding of the noise generation mechanisms in such jets. The Navier-Stokes solver is based on an LES method on unstructured mesh and the acoustic solver on a high-order discontinuous Galerkin method on unstructured mesh. The methodology is first assessed on academic cases to validate the use of the two-way coupling. After preliminary computations, the methodology is applied to the simulation of the noise from a supersonic free jet at Mach 3.1. A geometric turbulence tripping method is implemented via a step at the nozzle wall. The computation leads to noise predictions very close to the experimental measurements performed at the MARTEL test bench and highlights significant nonlinear effects as well as a quite particular Mach waves radiation mechanism. Targeting even more realistic cases, the entire numerical approach is finally successfully adapted to the simulation of the noise from a supersonic jet configuration including a flame trench. In the future, it may be extended to configurations with clustered reactive jets, water injection devices or even at full scale.