Bruit rayonné par un écoulement subsonique affleurant une cavité cylindrique : caractérisation expérimentale et simulation numérique par une approche multidomaine d'ordre élevé

par Damien Desvigne

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Christophe Bailly et de Olivier Marsden.

Le président du jury était Pierre Sagaut.

Le jury était composé de Xavier Gloerfelt, Eric Lamballais, Lionel Larchevêque, Geoffrey Lilley.

Les rapporteurs étaient Thierry Poinsot.


  • Résumé

    Le bruit de cavité est un phénomène très fréquent dans le domaine des transports aériens.Il survient notamment lors de l’approche à l’atterrissage, où des interactions entre la cellule de l’aéronef et l’écoulement sont à l’origine de fortes émissions tonales. Il devient dès lors une source de pollution acoustique non-négligeable pour les populations résidant à proximité de zones aéroportuaires. Les études numériques et expérimentales décrites jusqu’à présent dans la littérature abordent essentiellement le cas des cavités rectangulaires. Pourtant, les cavités rencontrées en pratique dans l’industrie aéronautique impliquent des géométries souvent plus complexes. Lorsque ces cavités sont soumises à une excitation de nature aérodynamique, leur spécificité géométrique conduit le plus souvent à des réponses acoustiques assez éloignées des estimations issues de modèles académiques construits sur l’observation de cavités rectangulaires. Quelques travaux seulement abordent le cas des cavités cylindriques.Ce travail est consacré à l’étude aéroacoustique des cavités cylindriques, à l’initiative d’Airbus. Il s’inscrit dans le cadre du projet AEROCAV soutenu par la Fondation de Recherche pour l’Aéronautique & l’espace (FRAE). Son objectif est de déterminer les mécanismes impliqués dans les émissions acoustiques intenses et tonales pour les configurations étudiées.Une première partie présente les résultats expérimentaux issus des campagnes de mesures menées dans la soufflerie anéchoïque du Centre Acoustique du LMFA et de l’école Centrale de Lyon. Un modèle semi-empirique, reposant sur l’hypothèse d’une résonance acoustique pilotée par les instabilités présentes dans la couche de cisaillement à l’ouverture de la cavité,est construit à partir du modèle d’Elder (1978). Le modèle permet d’estimer les fréquences susceptibles de dominer l’acoustique rayonnée en champ lointain à partir de la donnée du champ moyen de vitesse longitudinale, que l’on mesure dans le plan de l’écoulement par Vélocimétrie par Imagerie des Particules (PIV).Une seconde partie est destinée au calcul direct du bruit rayonné par un écoulement laminaire ou turbulent affleurant une cavité cylindrique de référence. Il consiste à calculer le champ acoustique directement à partir de la résolution des équations tridimensionnelles de la mécanique des fluides. Le solver Alesia est présenté dans une version modifiée et adaptée à la mise en oeuvre d’une approche multidomaine d’ordre élevé faisant intervenir plusieurs maillages se recouvrant. Des techniques d’interpolation sont spécifiquement développées en vue d’assurer une communication bidirectionnelle entre les différents maillages, malgré des contraintes géométriques fortes. Un modèle d’excitation de l’écoulement est aussi développé afin de disposer de fluctuations dans l’écoulement incident, pour le cas turbulent. Ces deux points font l’originalité des calculs réalisés.Les simulations, menées sur une cavité de rapport d’aspect géométrique égal à 1 et soumise à un écoulement incident à Mach 0.2, montrent que le rayonnement acoustique peut être fidèlement reproduit numériquement. La couche de cisaillement est caractérisée par la présence de deux larges structures tourbillonnaires s’amplifiant lors de leur convection. Leur présence s’accompagne de fortes fluctuations de vitesse à l’origine d’un débit aérodynamique de fluide à l’ouverture qui excite la cavité acoustiquement. Une résonance forcée s’établit dans celle-ci, excitant la couche de mélange au voisinage du point de séparation. Ce couplage auto-entretenu est à l’origine du rayonnement acoustique intense et fortement tonal de la cavité. Il s’établit à une fréquence proche de la fréquence prédite par le modèle semi-empirique développé.


  • Résumé

    Cavity noise is a very frequent phenomenon in air transport. It occurs in particular during landing approaches, where airframe–flow interactions are responsible for strong tonal emissions. Accordingly, it turns to be a non negligible source of acoustic pollution for populations living near airport areas. Numerical and experimental studies reported in the literature tackle essentially the case of rectangular cavities. Nevertheless, cavities may often exhibit more complex shapes in practice. When subject to aerodynamic excitations, and because of their geometrical specificity, these cavities may have acoustic responses which can be rather far from estimations resulting from academic models designed for rectangular cavities. Only asmall number of studies tackle the case of cylindrical cavities.The present work requested by Airbus is dedicated to the study of aeroacoustics in cylindrical cavities. This work was been supported by the Fondation de Recherche pour l’Aéronautique& l’Espace (FRAE) under contract reference AEROCAV. It aims at discerning the mechanisms responsible for strong and tonal acoustic emissions for the studied configurations.Experimental data resulting from measurements performed in the anechoic wind-tunnel of the Centre Acoustique at ´Ecole Centrale de Lyon are presented in a first part. A semi-empirical model based on the hypothesis of a shear-layer driven acoustic resonance is constructed from the Elder model (1978). The model provides an estimation of the frequences which are likely to be predominant in the far-field acoustics, given the mean streamwise velocity field, currently measured in the flow plane by Particle Image Velocimetry (PIV).A second part deals with the direct computation of the noise radiated by a laminar or turbulent grazing flow over a standard cylindrical cavity. The method consists in the calculationof the acoustic field directly from the resolution of the tridimensional Navier–Stokes equations. The Alesia solver is presented in a modified form, adapted to the implementationof a high-order chimera method involving several overlapping grids. Interpolation techniques have been specifically developed to achieve a bidirectional communication between the meshes in spite of strong geometrical constraints. A flow excitation model has also been constructed in order to obtain fluctuations into the incoming flow in the turbulent case. These two last points make the present computations original. The simulations, which are performed on a cavity of geometric ratio taken as 1 and subject to a grazing flow of Mach 0.2, reveal that it is possible to retrieve the radiated noise numerically with high fidelity. They indicate the presence of two large amplifying vortices in the shearlayer. These vortices go with strong velocity fluctuations giving rise to an inflow of fluid at the cavity mouth which excites the cavity acoustically. A forced acoustic resonance occurs into the cavity, then destabilises the shear layer near the separation point. This self-sustained coupling is responsible for strong tonal radiations from the cavity. The frequency of the radiated noise is close to the one predicted by the semi-empirical model.


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  • Détails : 1 vol. (x-322 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. [311]-322

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  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T2198
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