Etudes des effets de température sur le bruit de jet subsonique par simulation des grandes échelles

• Auteur / Autrice : Romain Biolchini
• Direction : Christophe Bailly, Guillaume Daviller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aéroacoustique
• Date : Soutenance le 12/12/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole 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)
• Jury : Président / Présidente : Grégoire Casalis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Bailly, Guillaume Daviller, Véronique Fortuné
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peter Jordan, Philippe Lafon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérodynamique supersonique

Simulation des grandes échelles

Avions -- Bruit

Mots clés libres

Jet subsonique

Subsonic jets

Résumé

Ces travaux de recherche sont consacrés à l’étude des effets de température sur le développement aérodynamique et l’acoustique rayonnée d’un jet subsonique par simulation des grandes échelles. Ces simulations sont réalisées avec un solveur 3D résolvant les équations de Navier-Stokes compressibles par une approche Volumes Finis. De plus, des schémas de discrétisation spatiale et d’intégration temporelle peu dissipatifs et peu dispersifs sont utilisés pour permettre l’étude des phénomènes acoustiques. La propagation acoustique est réalisée grâce à l’analogie acoustique de Ffowcs-Williams et Hawkings.Dans un premier temps, une configuration de jet simple est étudiée. Deux points de fonctionnement sont simulés. Dans les deux simulations, la vitesse d’éjection est fixée avec un nombre de Mach acoustique M=0.9 et seule la température du jet est modifiée. Pour les deux simulations les nombres de Reynolds sont supérieurs à 105. Pour valider la méthodologie de calcul, l’aérodynamique et l’acoustique ont été comparées avec succès à des données expérimentales. Une étude plus approfondie sur les effets induits par la température sur la distribution azimutale et l’émergence de nouvelles sources acoustiques est également menée. Dans un second temps, une tuyère représentative de l’arrière corps de moteur d’avion civil est considérée. La méthodologie de calcul appliquée sur cette géométrie est identique à celle utilisée sur les jets simples flux. Deux simulations sont réalisées en gardant les vitesses d’éjection constantes et en ne modifiant uniquement la température d’éjection du flux primaire (multipliée par un facteur 2). Les différences observées entre les deux simulations sont moins importantes que pour le cas simple flux. Cependant, le rayonnement acoustique amont est influencé significativement par la différence de température. Dans le cas froid, des ondes acoustiques remontant l’écoulement sont observées au centre du jet et rentrent en interaction avec le corps central. Ce phénomène n’est pas observé pour le cas le plus chaud, expliquant ainsi les différences sur le rayonnement acoustique.

In this PhD thesis, the effects of temperature on aerodynamic development and acoustic radiation of subsonic jets are studied. This is done thanks to 3D compressible Large Eddy Simulations with low dissipative and dispersive numerical schemes that propagate the acoustic waves properly. The far-field noise is then determined with the acoustics analogy proposed by Ffowcs-Williams and Hawkings.First, single round jets are studied. Two operating points are computed: an isothermal jet and a hot jet with an exhaust temperature twice the one of the ambient air (Tj = 2T0). The comparison of both cases is based on a similar exhaust velocity. In both cases, Reynolds number based on the nozzle diameter is above 105. To validate numerical methodology, aerodynamic and acoustic results are successfully compared against experiments. Further analyses are conducted to highlight the new acoustic sources that result from the temperature increase and the effects on the azimuthal mode distribution.Secondly, a more complex geometry representative of a real turbofan engine is considered, including two streams and the plug. The same methodology as the one used for the single jet nozzle is applied. Again, two simulations are computed where the exhaust velocities of both streams are kept constant and only the exhaust primary stream temperature is modified (multiplied by two). Differences on aerodynamic development are less important than the ones observed on single stream jets. However, the upstream acoustic radiation is significantly influenced by the modification of the exhaust temperature. In the colder case, upstream acoustic trapped waves are evidenced in the core jet and interact with the plug. This phenomenon is not reproduced when the primary stream is heated and explains the observed differences on the acoustic radiation.