Analyse des interactions fluide-structure en moyennes fréquences sous chargement aérodynamique

• Auteur / Autrice : Marie de Rochambeau
• Direction : Mohamed Ichchou, Louis Jézéquel, Bernard Troclet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des structures
• Date : Soutenance le 11/01/2010
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Ladevèze
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-François Deü, Mabrouk Ben Tahar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Fréquences des oscillations

Vibrations

Acoustique

Lanceurs (astronautique)

Aérodynamique

Mots clés libres

Intéractions fluide-structure

Aéroacoustique

Résumé

L’objectif industriel de cette thèse est d’étudier l’impact de l’environnement moyennes et hautes fréquences sur les lanceurs de missiles et de fusées. Ce champ acoustique est aléatoire et large bande et génère des vibrations à l’intérieur des lanceurs, qui peuvent détériorer les structures et les équipements fragiles, notamment les composants électroniques des équipements embarqués (premiers modes de vibration à 200-500 Hz, situés dans la zone des moyennes fréquences des lanceurs). Il est nécessaire de réaliser un modèle numérique du lanceur, afin de déterminer les niveaux de vibrations se propageant dans les structures internes des lanceurs sur l’ensemble du spectre fréquentiel. Dans le domaine des moyennes fréquences, les méthodes par éléments-finis ou énergétiques — comme la SEA (Analyse Energtique Statistique) — ne sont ni efficaces ni précises. Une nouvelle méthode est alors introduite : la méthode SEA-like. Cette méthode est déterministe et énergétique - pour prendre en compte le caractère aléatoire de l’excitation et les incertitudes des paramètres de la structure - mais s’appuie également sur des analyses basses fréquences, comme l’analyse modale ou par élément fini. Cette méthode est donc valable sur des domaines fréquentielles o`u la méthode SEA ne peut plus être utilisée. Dans une première partie, un système couplé plaque-cavité soumis à une excitation rain-on-theroof est étudié. Ce système a été modélisé avec trois méthodes : la méthode SEA-like basée sur une méthode par couplage modal - qui permet l’étude des échanges énergétiques en interaction fluide-structure dans le domaine des moyennes fréquences - la méthode SEA - qui permet de valider le modèle SEA-like dans le domaine des hautes fréquences, - et enfin une méthode SEA-like basée sur une modélisation par éléments-finis du système couplé et qui permet la validation dans le domaine des moyennes fréquences. Dans une deuxième partie, la méthode SEA-like est étendue à des cas de charges aéroacoustiques. En effet, deux types d’excitations sont fréquemment rencontrées dans le domaine de l’aérospatial et notamment dans l’étude des lanceurs : l’excitation par bruit diffus, qui intervient lors de la première phase de décollage du lanceur et une excitation par couche limite turbulente, qui intervient lors du vol atmosphérique. Ces excitations sont appliqués au système couplé plaque-cavité et modélisés avec la méthode SEA-like. Pour ce faire, les différentes excitations aéroacoustiques sont assimilées à des excitations delta-corrélées équivalentes. Les caractéristiques de l’excitation apparaissent alors dans le vecteur de puissance injectée et la modélisation SEA-like du système proprement dit est indépendante du type d’excitation. La méthode SEA-like est ainsi directement généralisable à différentes excitations. Ces modèles sont validés par comparaison avec des modèles connus d’excitations aéroacoustiques.

The objective of this work is the analysis of spatial launchers behaviour in the mid-high frequency domain. The acoustical excitation of such system is random and broadband. Vibrations propagating inside the spatial system can damage embedded electronic components, which first modes are located in the 200-500 Hz frequency range, i.e. the mid-frequency range of spatial launchers. A numerical modeling of spatial systems must be calculated, in order to predict vibrations inside the systems and avoid such damages. The Finite Element Method (FEM) and the Statistical Energy Analysis (SEA) are not accurate or efficient enough in the mid-frequency domain. A new method is thus introduced : the SEA-like method. This method is determinist and energetic — the random excitation and the uncertainties on the geometric description of the system are considered. This method is based on low-frequency modeling, as modal analysis or FEM. Unlike SEA, SEA-like can be used for mid-frequency analysis. First, a panel-cavity coupled system with rain-on-the-roof excitation is considered. This system is modeled with an SEA-like method based on a modal coupling analysis, with an SEA-like method based on FEM (for mid-frequency validation) and with SEA (for high-frequency validation). The modal coupling analysis of the coupled system leads to an analysis of fluid-structure interaction in the mid-frequency domain. The random acoustical field is then considered. Two aerodynamic loads are studied : diffuse field, which is present during lift-off of the launcher, and turbulent boundary layer excitation, which is present during the aerodynamic flight. Modeling of aerodynamic loads with SEA-like is performed by introducing equivalent delta-correlated excitations. Considering the SEA-like equation, the information on the excitation is located in the injected power vector. The modeling of the system becomes independent of the excitation. One SEA-like modeling can thus be applied to several aerodynamic loads.