‬Caractérisation statistique des sources aéroacoustiques en jets supersoniques par vélocimétrie laser à effet Doppler : application à la prédiction du bruit de jet

Statistical characterisation of supersonic jets sources using two-point Laser Doppler Velo-cimetry : application to jet noise prediction

• Auteur / Autrice : Franck Kerhervé
• Direction : Yves Gervais, Jean-Christophe Valière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique et dynamique des écoulements instationnaires
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et aéronautique (Poitiers1992-2008)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : École nationale supérieure d'ingénieurs (Poitiers ; 1984-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Vélocimétrie laser Doppler

Acoustique

Turbulence

Résumé

Le travail présenté s'inscrit dans le contexte particulier des écoulements en régime supersonique à l'origine de niveaux de bruit très importants et pouvant induire des phénomènes de vibrations significatives des structures solides présentes dans le champ acoustique rayonné. L'étude préalable de techniques de réduction de bruit et des mécanismes vibro-acoustiques nécessite, entre autres, une connaissance rigoureuse du bruit rayonné ainsi que de ces différentes sources. Pour un écoulement libre quelconque, une approche possible d'estimation du bruit généré consiste à relier la dynamique du champ turbulent intrinsèque de l'écoulement au champ acoustique rayonné. Ceci est rendu possible grâce au concept d'{\it analogie aéroacoustique} proposé initialement par Lighthill (1952). La détermination des organisations spatiale et temporelle du champ turbulent à partir d'un tenseur de corrélation des fluctuations de vitesse permet de rendre compte, statistiquement, de l'évolution au sein de l'écoulement des mécanismes de conversion de l'énergie cinétique turbulente en énergie acoustique et indirectement, de celle des sources aéroacoustiques. Des mesures par Vélocimétrie Laser à Effet Doppler (technique de mesure optique) en jets supersoniques successivement froid et chaud sont ainsi ici réalisées afin de déterminer une des composantes principales de ce tenseur de corrélation. Une modélisation simplifiée du tenseur, basée sur l'estimation d'échelles spatiales et temporelles dites intégrales et caractéristiques des mécanismes sources, est ensuite proposée dans la cas d'une turbulence homogène. La composition spectrale du champ turbulent dans le cas du jet supersonique froid est également ici rapportée et renseigne sur sa dynamique. Ces données expérimentales sont finalement couplées à un code de calculs aéroacoustiques dans le but de prédire le spectre d'intensité acoustique rayonné par un jet supersonique chaud.

The prediction of jet mixing noise using an acoustic analogy and based on experimental measurements is here investigated in the case of a supersonic jet. The basis of any acoustic analogy is the representation of the specifics spatial and temporal organisations of the turbulent field as a spatiotemporal correlation tensor of the turbulence velocity. This quantity gives informations on the dynamic and efficiency of the mechanisms of conversion of the turbulence kinetic energy into acoustic energy. Turbulence and source properties such as integral length and time scales, as well as convection velocity are commonly used to characterised the mixing processes and used for accurately modelling the spatiotemporal correlation tensor. The accuracy of the noise prediction is therefore related to the accuracy with which this tensor is modelled. Modelling of this quantity, based on experimental two-point Laser Doppler Velocimetry measurements in the case of a supersonic jet is here proposed. Modelling is based on an assumption of a homogeneous and isotropic turbulence field so that the tensor can be reduced to one component only. The prediction of the noise radiated by the flow requires also the spatial distribution of the energy of the sources to be known. An aerodynamic code is here used and validated by experimental measurements in a hot supersonic jet. Additional measurements have been performed to study the spectral content of the turbulent field and its evolution along the flow in such typical jets. This highlight on how the turbulent kinetic energy is efficiently used by the different components of the turbulent field. The noise radiated by the hot supersonic jet is finally predicted using a numerical code based on the Lighthill's acoustic analogy and the model established for the correlation tensor obtained from the experimental measurements.