Modélisation du bruit à large bande rayonné par un profil isolé : application aux turbomachines

Modeling of broadband noise radiated by an airfoil : application to turbomachinery

• Auteur / Autrice : Djaafer Fedala
• Direction : Smaïne Kouidri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit -- Mesure

Turbomachines

Résumé

Les nuisances sonores sont devenues une importante préoccupation environnementale. L'accroissement des exigences de confort et le durcissement des réglementations européennes et mondiales ont rendu la réduction du bruit aérodynamique des turbomachines un enjeu primordial pour plusieurs industries. Ce travail a pour objectif principal le développement d'outils de modélisation de la composante à large bande du bruit des ventilateurs de façon à l'intégrer comme critère d'optimisation dès leur phase de conception. L'étude est concentrée sur les deux sources reconnues pour leurs contributions significatives dans le bruit rayonné : l'interaction des pales avec l'écoulement turbulent amont et la diffraction de la couche limite turbulente au niveau du bord de fuite. Dans un premier temps, une approche reposant sur la formulation analytique d'Amiet pour la prédiction du bruit d'un profil isolé disposé dans un écoulement turbulent est mise en oeuvre. L'effet de l'épaisseur n'est pas pris en compte dans la formulation initiale d'Amiet. Une correction gaussienne a été proposée sur la base des travaux de Gershfeld améliorant ainsi considérablement les résultats de calculs. Une extension vers la turbomachine est ensuite proposée et validée expérimentalement. Un ventilateur axial est disposé à l'amont de différents écoulements incidents turbulents générés par cinq dispositifs de contrôle de turbulence. La turbulence incidente est caractérisée par le modèle spectral de von Kármán à partir des mesures à fils chauds. La confrontation des spectres de puissance acoustique calculés à ceux mesurés donne un accord satisfaisant sur une large bande fréquentielle audible. Dans la deuxième partie, une modélisation hybride combinant des Simulations des Grandes Echelles avec une solution intégrale dans le domaine temporel de l'analogie de Ffowcs Willimas & Hawkings est développée. Une validation complétée par une étude des erreurs numériques du code acoustique développé sur la base de la formulation intégrale 1A de Farassat avec une surface perméable de Di Francescontonio a été réalisée. Les simulations LES bidimensionnelles de l'écoulement turbulent autour d'un profil ont reproduit la transition de la couche limite turbulente et le détachement tourbillonnaire au bord de fuite. L’analyse des spectres de pression pariétale a révélé que l’écoulement amont a un important effet sur les fluctuations de pression pariétale et leurs localisations.

Noise pollution is one of the most significant environmental concerns. The increase in comfort requirements and rigorous of European and global regulations made of noise reduction one of the most important issues for several industries. The main objective of this work is the development of modeling tools for broadband noise component radiated by axial fans in order to include it as an optimization criterion during their design process. This study is concentrated on two sources recognized for their significant contributions in the radiated noise: interaction of the blades with the turbulent inflow and scattering of the turbulent boundary layer eddies when convected past trailing edge. Firstly, an approach based on Amiet's analytical formulation for noise prediction of an isolated airfoil placed in a turbulent flow is carried out. Thickness effect is not taken into account in the initial Amiet's formulation. A Gaussian correction was proposed based on Gershfeld studies which improved significantly the computational results. An extension towards turbomachinery is then proposed and validated experimentally. An axial fan is placed downstream of various incident turbulent flows generated by five turbulence controlling devices. Incident turbulence is characterized by the von Kármán spectral model which is fed with hot wire measurements. Comparison of the calculated sound power spectra with the experimental ones yields a reasonable or even satisfying agreement over a large range of the audible frequency. In the second part, a hybrid model combining of Large Eddy Simulations with an integral solution in time domain of Ffowcs Willimas \& Hawkings equation is developed. A validation completed by a study of numerical errors of the acoustic code based on Formulation 1A of Farassat with a permeable surface of Di Francescontonio was performed. Two-dimensional LES of the turbulent flow around an airfoil NACA0012 reproduced the boundary layer transition and the vortex shedding. Wall-pressure spectra analysis revealed that the inflow conditions have a strong effect on the airfoil response.