Généralisation des modèles stochastiques de pression turbulente pariétale pour les études vibro-acoustiques via l'utilisation de simulations RANS

Generalization of stochastic models of turbulent wall pressure for vibro-acoustic studies based on RANS simulations

• Auteur / Autrice : Myriam Slama
• Direction : Pierre Sagaut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 17/11/2017
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Anselmet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Régis Marchiano, Cédric Leblond, Jean-Max Sanchez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Gloerfelt, Luminita Danaila

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pression acoustique

Vibrations

Turbulence

Modèles stochastiques d'apprentissage

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Turbulence

Pression pariétale

Formulation intégrale

Équation de Poisson

Turbulence

Wall pressure

Integral formulation

Poisson equation

Résumé

Le développement d’une couche limite turbulente sur des structures entraîne des vibrations et des nuisances sonores. Celles-ci sont estimées par des calculs vibro-acoustiques qui nécessitent le spectre de pression pariétale turbulente en fréquence-nombre d’onde. Ce spectre est généralement calculé via des modèles empiriques. Or ces modèles ont un domaine de validité très restreint et ne sont pas adaptés pour des écoulements complexes, avec notamment des gradients de pression. Dans ces travaux, une méthode est proposée pour calculer les corrélations spatio-temporelles de pression pariétale à partir d’une solution sous forme intégrale de l’équation de Poisson. Le spectre de pression est obtenu à partir de la transformation de Fourier de ces corrélations. L’expression retenue pour ces dernières fait intervenir les dérivées d’une fonction de Green ainsi que les champs de la vitesse moyenne et des tensions de Reynolds qui sont obtenus par simulation RANS. Elle fait aussi intervenir des coefficients de corrélation de vitesse spatio-temporelle qui doivent être modélisés. Pour cela, un nouveau modèle de coefficient de corrélation spatiale a été développé : l’Extended Anisotropic Model. Le calcul des corrélations et du spectre de pression est réalisé en utilisant une méthode numérique basée sur une stratégie d’échantillonnage adaptatif combinée à du krigeage. Elle permet de réduire le nombre de valeurs de corrélation de pression nécessaires pour obtenir le spectre de pression pariétale et donc de réduire le temps de calcul. La méthode est appliquée à des écoulements de couche limite turbulente sur une plaque plane et sur un profil NACA-0012 avec un gradient de pression adverse.

Turbulent boundary layer flows over structures induce vibrations and noise. The latter are estimated by vibro-acoustic studies which require the wavenumber-frequency turbulent wall-pressure spectrum. This spectrum is generally computed via empirical models. However, these models have a very narrow domain of validity and are not adapted for complex flows, in particular with pressure gradients. In this work, a method is proposed to compute space-time wall-pressure correlations from an integral solution of the Poisson equation. The pressure spectrum is obtained by the Fourier transform of these correlations. The expression retained for the pressure correlations involves the derivatives of a Green function as well as the mean velocity field and the Reynolds stresses which are obtained by RANS solutions. It also involves space-time velocity correlation coefficients that have to be modelled. To achieve this, a new model was developed for the spatial correlation coefficients: the Extended Anisotropic Model. To compute the wall-pressure correlations and spectrum, a numerical method based on a self adaptive sampling strategy combined with Kriging is used. It reduces the number of pressure correlation values required to compute the wall-pressure spectrum and thus reduces the computation time. The method is applied to turbulent boundary layer flows over a flat plate and over a NACA-0012 profile with an adverse pressure gradient.