Développement de différentes méthodes pour la prise en compte de couches limites turbulentes non-homogènes dans les simulations vibro-acoustiques

Development of several numerical methods accounting for non-homogeneous turbulent boundary layers in the vibro-acoustic simulations

• Auteur / Autrice : Corentin Guillon
• Direction : Nicolas Totaro, Laurent Maxit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 06/10/2022
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LVA - Laboratoire Vibrations Acoustique (Lyon, INSA) - Laboratoire Vibrations Acoustique / LVA
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Totaro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Totaro, Laurent Maxit, Emmanuel Perrey-Debain, Alain Berry, Marie-Laure Gobert, Emmanuel Redon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Perrey-Debain, Alain Berry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction fluide-structure

Vibrations

Acoustique

Mots clés libres

Mécanique

Couche limite turbulente

Comportement vibroacoustique

Couplage fluide-Structure

Réponse vibratoire

Rayonnement acoustique

Champs de pression

Excitation non-Homogène

Plaque mince

Mechanics

Turbulent boundary layer

Vibroacoustic behavior

Fluid-Structure coupling

Vibratory response

Acoustic radiation

Pressure field

Non-Homogeneous excitation

Thin plates

Résumé

L’objectif de cette thèse est de développer des approches permettant de prendre en compte l’évolution spatiale de la couche limite turbulente (CLT) dans les calculs prédisant le comportement vibro-acoustique de structures déformables excitées par un écoulement. L’application finale visée est la prédiction du bruit rayonné par les pales d’un propulseur de véhicule sous-marin. Or, les modèles vibro-acoustiques disponibles dans la littérature, généralement employés pour des structures de grandes dimensions et faibles courbure, font l’hypothèse de CLT uniformément développées et homogènes. Pour notre application, la rapide croissance de la CLT, déclenchée au bord d'attaque de la pale, doit être prise en compte dans les calculs. En repartant de cas de plaques planes excitées par des CLT homogènes, des méthodes existantes ont été adaptées aux CLT non-homogènes, en réalisant certaines hypothèses. D’abord en espace, en exploitant la faible corrélation spatiale du champ de pressions pariétales, puis dans le domaine des nombres d’onde, en découpant la surface excitée en plusieurs zones. La dernière approche présentée repose sur la synthèse des champs de pression par des séries d’ondes planes pariétales décorrélées (OPPD) et permet de traiter l'évolution de la CLT non-homogène de manière continue (C-OPPD). L’intérêt de la prise en compte de la variation spatiale des paramètres de CLT est mis en avant pour le cas d’une plaque plane mince d’épaisseur variable soumise à une CLT déclenchée sur l’arrête amont. Dans le dernier chapitre, on applique la méthode C-OPPD à un cas de pale de propulseur simplifiée, placée en eau, excitée par une CLT non-homogène et rayonnant dans un milieu infini. Pour cette application plus pratique, les paramètres de la CLT sur le profil sont déterminés à l’aide de XFOIL et le problème est modélisé par éléments finis, en prenant en compte l’effet de couplage entre le fluide lourd et la structure déformable.

This thesis focuses on computing the radiated sound field emitted by the blades of a submarine propeller. Numerical methods are developed to include the spatial evolution of the turbulent boundary layer (TBL) in calculations predicting the vibroacoustic behavior of viscoelastic structures excited by a flow. The rapid growth of the TBL triggered at the leading edge of submarine blades needs to be considered to enhance the vibroacoustic models found in the literature. These latter are based on uniformly developed homogeneous TBL and were designed for low curvature and large-scale structures. Considering flat rectangular plates, the existing methods have been customized to be used with non-homogeneous loadings, using some hypothesis. Firstly, in the space domain, by considering the weak spatial correlation of the wall pressure field (WPF), then in the wavenumber domain, by dividing the excited surface in several sub-areas. The last presented method relies on the synthesis of pressure fields by sums of uncorrelated wall plane waves (UWPW) and allows to deal with the evolution of the TBL continuously (C-UWPW). The interest of considering the spatial variation of TBL parameters in the model is highlighted over the study of a thin plate with varying thickness loaded by a TBL triggered on its upstream edge. Finally, the C-UWPW method is applied to a real-case scenario: a simplified propeller blade placed in water, excited by a non-homogeneous TBL and radiating in a semi-infinite space. In this application, the TBL parameters are estimated using XFOIL and the coupling between the viscoelastic structure and the fluid is solved with finite element models.