Etude Analytique du bruit des hélices contra-rotatives

Semi-analytical prediction of wake-interaction noise in counter-rotating open rotors

• Auteur / Autrice : Arnulfo Carazo Méndez
• Direction : Michel Roger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 14/06/2012
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Moreau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Simon, Sébastien Guérin, Pierre Spiegel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Xin Zhang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Émission acoustique

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Sillage (aérodynamique)

Rotors (hélicoptères)

Mots clés libres

Hélice contra-rotative

Méthodes analytiques

Sillage visqueux

Aérodynamique instationnaire

Rayonnement acoustique

Sources tournantes

Open rotor

Analytical methods

Viscous wake

Unsteady aerodynamics

Acoustic radiation

Rotating sources

Résumé

Les constructeurs aéronautiques envisagent les systèmes de propulsion à hélices contra rotatives comme une alternative aux turboréacteurs, afin de réduire la consommation de carburant et les émissions des gaz à effet de serre. En raison de l’absence de carénage, la réduction du bruit engendrée par de tels systèmes représente un enjeu majeur pour les industriels. En particulier, le bruit de raies dû à l’impact des sillages de l’hélice amont sur l’hélice aval constitue une part significative de l’émission acoustique. Le travail présenté dans cette thèse a abouti à une méthode semi-analytique de prédiction de ce bruit d’interaction, intégrant de façon relativement réaliste les effets tridimensionnels des sillages de l’hélice amont et de la géométrie des pales de l’hélice aval. L’espace balayé par une pale est décomposé en tranches annulaires, déroulées pour décrire localement l’interaction en coordonnées cartésiennes. Le segment de pale obtenu est approché par un trapèze plat de forme et d’orientation quelconques. Une double stratégie est proposée pour la description du sillage. Premièrement, il peut être décrit par un modèle analytique tenant compte du vrillage et de l’expansion avec la distance au bord de fuite. Deuxièmement, il peut être post-traité à partir des calculs numériques. Ensuite, dans chaque tranche le déficit de vitesse ressenti par le segment de pale fait l’objet d’une décomposition de Fourier à deux nombres d’onde. Le calcul de la réponse aérodynamique instationnaire du segment est fait dans le domaine fréquentiel. Il étend des solutions analytiques existantes valables pour un segment rectangulaire, et prend en compte la compressibilité du fluide et la non-compacité des pales. On restitue ainsi les effets de la flèche, du vrillage et de la variation de la corde en envergure. Les fluctuations de portance induites sur les différents segments, obtenues par le calcul, sont utilisées pour construire une répartition de sources acoustiques équivalentes sur la surface réelle des pales, au sens de l’analogie acoustique. Le bruit en champ lointain est alors calculé en utilisant le formalisme de Ffowcs Williams & Hawkings, adapté au cas d’un dipôle tournant dans un écoulement uniforme. La méthodologie proposée a été implémentée dans l’outil ORION et évaluée avec des résultats numériques et des mesures en soufflerie.

Counter-rotating open rotors are seen as a possible alternative to turbofan engines for future subsonic aircraft propulsion, essentially for their higher fuel-efficiency. This technology leads to fuel saving sand to reduced green-house gas emissions. However, these benefits are balanced by some inherent draw-backs, as the increased noise radiation. Particularly, the tonal noise produced by the impingement of the wakes issuing from the front rotor onto the rear-rotor blades is recognized as a major contributor to the emitted noise. The research presented in this thesis led to a semi-analytical methodology to predict the rotor-rotor interaction tonal noise, including three-dimensional features of both rear-rotor blades and front-rotor wakes. The space is cut into annular regions, subsequently unwrapped for formulating the problem in equivalent Cartesian coordinates. Also, the obtained blade segments are assimilated as a set of flat trapezoids with arbitrary orientation, accounting for blade sweep and chord variations in the span wise direction. A double strategy is proposed for the description of front-rotor wakes. First, an analytical model is proposed in which wake direction and diffusion are deduced from the blade stagger angle and axial distance between the rotors. Secondly, a strategy for post-processing numerical wakes is presented. In both cases, the oncoming excitation is expanded in a series of sinusoidal gusts with two aerodynamic wavenumber components. Using this information the unsteady loading on the rear-rotor blades is obtained, in the frequency domain, from an extension of Amiet’s theory for gust-air foil interaction to account for air foil sweep and chord variations, flow compressibility and source non-compactness. The obtained noise source is back-projected on the blade mean-camber surface. An extended far-field formulation is then used to predict the noise. This theory is derived in detail from Ffowcs Williams &Hawkings’ formalism adapted for acoustic dipoles rotating in a uniformly moving atmosphere. The pro-posed methodology has been implemented in the tool ORION and assessed by comparing its results with numerical simulations and wind-tunnel measurements.