Bruit rayonné par un écoulement affleurant une cavité : Simulation aéroacoustique directe et application de méthodes intégrales

• Auteur / Autrice : Xavier Gloerfelt
• Direction : Daniel Juvé, Christophe Bailly
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cavités résonnantes (acoustique)

Bruit

Ondes

Acoustique

Mots clés libres

Aéroacoustique

Résumé

Mon travail de thèse est consacré au calcul direct du bruit d'origine aérodynamique à partir des équations de Navier-Stokes. Cette méthode consiste à déterminer simultanément le champ aérodynami¬que et les ondes acoustiques qui possèdent des caractéristiques physiques très différentes, sans faire intervenir de modélisation acoustique. Elle nécessite donc l'utilisation de techniques numériques qui prennent en compte les particularités des fluctuations acoustiques. L'alternative à cette démarche consiste en effet à utiliser une méthode hybride, s'appuyant sur un calcul en deux étapes. La première étape détermine un champ turbulent de vitesse, alors que la seconde utilise un modèle de sources acoustiques combiné avec un opérateur de propagation pour obtenir le rayonnement acoustique. Le premier chapitre présente le code aéroacoustique ALESIA et les développements nouveaux pour l'étendre aux situations en présence de parois physiques. On a notamment développé une formulation des conditions aux limites de paroi. Ce problème est illustré par des cas-tests acoustiques et visqueux. Le deuxième chapitre synthétise l'état des connaissances théoriques et expérimentales concernant l'écoulement au dessus d'une cavité et notamment le rayonnement sonore associé. On s'attache plus particulièrement à la boucle de rétroaction aérodynamique pouvant générer les oscillations autoen-tretenues observées. Le calcul direct du bruit de cavité par simulation numérique directe (DNS) des équations de Navier-Stokes est mis en oeuvre pour plusieurs configurations bidimensionnelles dans le troisième chapitre. Une première simulation laminaire à bas Reynolds permet de reproduire le cou¬plage pression-vorticité responsable d'un rayonnement intense. L'étude de l'influence de l'épaisseur de la couche limite incidente met en évidence un nouveau régime d'écoulement, peut-être les limites d'une approche 2-D. Une deuxième simulation reproduit à l'échelle 1, par DNS, une configuration étudiée expérimentalement par Karamcheti(1955), où une couche limite laminaire à Mach 0. 7 affleure une cavité rectangulaire bidimensionnelle. Parmi les théories aéroacoustiques disponibles, le quatrième chapitre analyse les possibilités offertes par les méthodes intégrales, afin de déterminer leur pertinence et leur complémentarité avec les cal¬culs directs. Une revue exhaustive des formulations et des applications existantes permet d'ordonner les nombreux développements réalisés dans ce domaine et de déterminer leur champ d'application respectif. Le dernier chapitre discute la résolution numérique de ces formulations. Trois formula¬tions intégrales, l'analogie de Ffowcs Williams et Hawkings, la méthode d'extrapolation de Kirchhoff et la méthode d'extrapolation basée sur l'équation de Ffowcs Williams et Hawkings sont mises en oeuvre pour plusieurs configurations. L'application à la cavité non compacte de Karamcheti permet d'appréhender les possibilités offertes en terme de gain numérique et d'analyse des sources de bruit.