Simulations aux grandes échelles des écoulements instationnaires turbulents autour des trains d'atterrissage pour la prédiction du bruit aérodynamique

Large-eddy simulation of unsteady turbulent flows around landing gears for aerodynamic noise prediction

• Auteur / Autrice : Jean-Christophe Giret
• Direction : Jean-Christophe Jouhaud, Stéphane Moreau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 26/05/2014
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)

Mots clés

Mots clés libres

Dynamique des fluides

Aéroacoustique

Simulation numérique

Simulation aux grandes échelles

Turbulence

Train d’atterrissage

Fluid mechanics

Aeroacoustics

Numerical simulation

Large-eddy simulation

Turbulence

Landing gear

Résumé

L'augmentation globale du trafic aérien mondial est susceptible de fortement augmenter les nuisances sonores induites autour des aéroports. De fait, des initiatives à diverses échelles sont prises afin de réduire le bruit des aéronefs. Le ''bruit de cellule'' de l'avion (airframe noise) est un contributeur majeur du bruit total en phase d'approche, dont environ un tiers est émis par le train d'atterrissage. La simulation aux grandes échelles (LES) des équations de Navier-Stokes compressibles a été identifiée comme une candidate pour la prédiction du bruit de train d'atterrissage. Elle permet de résoudre l'écoulement intrinsèquement instationnaire autour du train, et de capturer les différentes échelles des structures turbulentes mise en jeu dans le sillage. En outre, une approche non-structurée est retenue afin de traiter des géométries réalistes et complexes de trains d'atterrissage. Répondant à ces critères, le logiciel AVBP est choisi pour de telles simulations. Une analogie de Ffowcs-Williams et Hawkings est ensuite utilisée pour propager les sources acoustiques en champ lointain. La détermination des paramètres de simulation optimaux ainsi qu'une validation du code sont effectuées sur le cas académique du ''barreau-profil'' réalisé à l'Ecole Centrale de Lyon. Un bon accord des résultats aérodynamiques et acoustiques est observé avec la base de donnée expérimentale ainsi qu'avec d'autres résultats numériques. Une analyse des sources acoustiques a également été mise en oeuvre, mettant en évidence une contribution significative du cylindre aux angles rasants ainsi que des phénomènes interférentiels entre les émissions du cylindre et du profil, constructifs ou destructifs selon l'angle d'observation. Le code AVBP est ensuite utilisé pour la simulation des écoulements autour des trois trains simplifiés de la base de donnée LAGOON, supportée par Airbus. Un bon accord est globalement obtenu pour les résultats aérodynamiques et acoustiques pour les trois géométries de train, et les tendances des résultats expérimentaux lors de le complexification de la géométrie sont retrouvés à l'aide de la LES. Une étude des sources acoustique est ensuite réalisée. Les contributions respectives de chaque élément des trains sont identifiées, et une attention particulière est portée sur les tons de cavité. La structure de ces derniers est clairement mise en évidence à l'aide d'un solveur des équations d'Helmholtz (AVSP), expliquant également l'absence de tons pour les micros en survol. Les effets de l'ajout d'éléments supplémentaires pour les deux dernières configurations de train sont également étudiés, et il est montré en particulier qu'un bruit d'interaction, similaire à celui observé dans le cas ''barreau-profil'', entre le sillage de la barre de traction et l'essieu du train explique la prédominance d'un ton supplémentaire dans les spectres en champ lointain sur les tons de cavité.

Global air traffic growth is most likely to increase the community noise around airports. Consequently, several initiatives have been taken to reduce aircraft noise. Airframe noise has been identified as a major contributor to aircraft noise at approach, and one third is emitted by the landing gear. Compressible Large Eddy Simulation (LES) is a promising candidate for landing gear noise prediction. It is able to solve the unsteady flow around the landing gear, and also to capture the broad range of turbulent structures in the wake. Unstructured meshing approach has been selected to handle industrial-like and complex landing gear geometries. The AVBP software fulfills these criteria, and thus has been chosen to conduct the simulations. A Ffowcs-Williams and Hawkings analogy is also used to propagate the noise sources to the far-field. The best practices determination and the code validation are carried out on the academic ''rodairfoil'' configuration, which has been experimentally studied at Ecole Centrale de Lyon. A good agreement is observed between the numerical aerodynamic and acoustic results and the experimental database, as well with the other numerical simulations from the literature. A noise source analysis is also carried out, showing a significant contribution of the rod at grazing angles, as well as interferences between the rod and airfoil contributions, either being constructives or destructives depending on the observation angle. Then, the AVBP code is used to simulate unsteady flows around the three landing gear configurations of the LAGOON database, supported by Airbus. A good agreement is found for the aerodynamic and acoustic results for the three geometries, and experimental results tendencies are retrieved with LES while increasing the landing gear complexity. A noise source analysis leads to the identification of the noise source contributions of each landing gear element. A special attention is also paid on the cavity modes. Their structure, exhibited with a Helmholtz equation solver (AVSP), explains the absence of tone in the flyover direction. For the second and third geometries, it is also shown that interactions between the tow bar wake and the axle, similarly to the ones observed in the rod-airfoil benchmark, lead to an additional tone in the far-field spectra, which prevails on the initial cavity modes.