Influence de l'injection d'eau sur l'émission acoustique de jets d'air subsoniques froids

Influence of injection of water on the noise emission of subsonic air jets

• Auteur / Autrice : Jean-Yves Guerder
• Direction : Daniel Juvé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences. Acoustique
• Date : Soutenance en 1994
• 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

Mécanique des fluides

Turbulence

Aérodynamique

Mots clés libres

Granulométrie laser

Aéroacoustique

Antenne acoustique

Résumé

L'injection d'eau en grande quantité dans les jets des moteurs fusées est une technique utilisée pour tenter de réduire les niveaux sonores intenses créés dans la phase de décollage des lanceurs spatiaux. L'emploi de cette technique est en grande partie empirique, étant donnée la complexité de la situation et de la méconnaissance des mécanismes mis en jeu. Aussi une recherche coordonnée avec le CNES et l'ONERA a-t-elle été entreprise sur des configurations simples d'écoulement (jets libres) afin de dégager les divers mécanismes, dont les effets acoustiques peuvent être antagonistes et de proposer des configurations ''optimales'' d'injection. Deux idées de mécanismes conduisant à une réduction du niveau sonore émis par un jet viennent immédiatement à l'esprit : la réduction de la vitesse du jet de gaz par transfert de quantité de mouvement avec la phase liquide et la réduction de la température du jet par vaporisation. Dans une première étape et afin de dissocier les effets, l'influence de l'injection a été testée sur des jets subsoniques froids. En jet subsonique une étude complète des caractéristiques acoustiques a été effectuée en chambre sourde : niveaux globaux, spectres et directivités ont été mesurés pour différentes conditions d'injection. Pour la configuration optimale, on a relevé un gain global de 2dB. L'analyse spectrale a montré que la réduction de bruit s'effectue sur une large gamme de fréquences. Des mesures aérodynamiques par granulométrie laser Doppler ont permis de vérifier que la vitesse moyenne de l'écoulement était bien réduite selon le concept de transfert de quantité de mouvement entre les deux phases. Une campagne de localisation de sources par traitement d'antenne focalisée a mis en évidence que l'interaction entre le jet d'air et l'eau injectée était une source de bruit importante.

Injecting water in the jets of launchers is a technique used to reduce the intense sound emission at takeoff. The use of this fully empirical due to the complexity of the situation and the misunderstanding of the mechanisms involved. Therefore, a joint research program lead by CNES and ONERA has been undertakenon free jets. Two main mechanisms of noise reduction can be clearly indentified : the reduction of the mean velocity through the exchange of momentum between the gaseous and liquid phases ; the reduction of the jet temperature due to the evaporation of water. The first step has been carried out in order to differentiate between these two mechanisms, whereby the influence of water injection has been tested on cold jets at subsonic speeds. Acoustical quantities have been measured in an anechoic room (overall sound pressure level, spectra and directivity) for different conditions of injection. For the optimal configuration a 2dB noise reduction was obtained ; this reduction occurs for a large frequency range, the maximum gain in the third octave band is around 4dB. Aerodynamics measurements have been made with a Phase Doppler Particle Analyser and have demonstrated that the concept of exchange of momentum is correct. In principle this would lead to a significant reduction of the generated noise (according to Lighthill theory), which is not observed in practice. One possible reason to explain this discrepancy is that the interaction of the air jet with the injected water produces a new and powerful source of noise. A source location experiment with a focusing antenna has confirmed that this is the case, especially when water is not injected in form of a spray. In the other hand, the velocity is not reduced for all the jet. A model taking into account this fact has been made using aerodynamics measurements and results of sources location. The noise reduction obtained is significantly less than the reduction expected according to the Lighthill theory : with a ratio of water to air mass flow of 2 the reduction calculated is - 9 dB for an injection at 1 diameter of the nozzle exhaust and - 4 dB for an injection at 4 diameter.