Thèse soutenue

Étude expérimentale et analytique du bruit aérodynamique émis par des configurations génériques d'aile-hélices à propulsion électrique distribuée

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Auteur / Autrice : Daniel Acevedo Giraldo
Direction : Michel RogerMarc C. Jacob
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Acoustique
Date : Soutenance le 28/03/2024
Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (MEGA)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et d’acoustique
Jury : Président / Présidente : Christophe Schram
Examinateurs / Examinatrices : Michel Roger, Marc C. Jacob, Benjamin Cotté, Hélène Parisot-Dupuis, Leandro de Santana, Sophie Le Bras
Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Schram, Francesco Avallone

Résumé

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Cette thèse étudie expérimentalement et analytiquement les effets d'installation acoustiques d'une paire d’hélices subsoniques de six pales installées côte à côte et près du bord de fuite d’une aile. Dans une gamme importante de basses et moyennes fréquences, le diamètre des hélices, la corde de l'aile et la distance aile-hélice sont plus petites que les longueurs d'onde acoustiques, atteignant un régime compact. Cette configuration générique imite les futures architectures d'avions urbains à propulsion électrique distribuée, adressée dans le cadre du projet H2020 de l’Union européenne ENODISE. Les effets d'installation se référent aux sources supplémentaires de bruit aérodynamique provoquées par l'interaction pale-aile et à leur diffraction par l'aile, par rapport au cas d'hélices isolées. Ce travail vise à trouver une configuration générique optimale aérodynamique et acoustique à travers une étude paramétrique. L'idée est de démontrer la capacité de l'approche expérimentale à déterminer les configurations optimisées et le potentiel des modèles analytiques pour estimer l’effet de diffraction du son, qui présente un intérêt primordial pour les étapes préliminaires de conception d'un système. Des essais en soufflerie sont d’abord effectués à titre de référence, puis un modèle analytique est implémenté et ses prédictions sont validées avec les résultats expérimentaux. Enfin, cela permettra de trouver des options intéressantes pour l’intégration propulsion-cellule. Des essais en soufflerie ont été réalisés dans l'installation à jet ouvert anéchoïque de l'École Centrale de Lyon. Les mesures aérodynamiques ont été faites par des prises de pression statique sur l'aile, alors que les performances aéropropulsives ont été évaluées à l'aide de cellules de pesée. De plus, le bruit en champ lointain était mesuré avec une antenne de microphones rotative, explorant une partie d’une sphère autour de l’installation. Les hélices ont été testées à une vitesse de rotation constante de 7000 tr/min dans des conditions statiques. L'amplitude et la directivité de la pression acoustique aux fréquences de passage des pales ont été explorées de manière exhaustive pour les différents cas. Le contenu spectral de cas sélectionnés a été examiné plus en détail, montrant les impacts de la régénération de son par diffraction ou du masquage en fonction de la position des hélices. Les résultats montrent des positions pour lesquelles il existe un potentiel important d'atténuation du bruit. Des réductions allant jusqu'à 5 dB du niveau de pression acoustique global et 20 dB à la fréquence de passage des pales ont été observées. De plus, les données montrent que l'effet d'installation est crucial pour analyser le bruit tonal des hélices. En particulier, le rayonnement sonore est considérablement augmenté lorsque les extrémités des pales fonctionnent à proximité du bord de fuite de l'aile. De plus, dans le cadre de la formulation analytique, les sources de bruit de type dipolaire des hélices sont prises en compte, en supposant des pales rigides. Le rayonnement sonore des hélices est formulé en trois dimensions, en s'appuyant sur la notion de modes-sources pour représenter le bruit tonal. Par ailleurs, la fonction de Green du demi-plan a permis de prendre en compte la diffraction du son par l'aile. Une correction de corde finie a été appliquée et validée par simulations numériques. Les résultats ont confirmé que l'effet d'installation est crucial pour analyser le bruit tonal. Les calculs ont été comparés favorablement aux mesures du bruit en soufflerie en champ lointain. Les résultats montrent qu'en présence d'une aile, des composantes du bruit évanescentes en champ libre peuvent être converties en modes de rayonnement très efficaces si les sources sont à une distance compacte du bord de fuite de l'aile. Ceci redonne de l'importance au bruit de charge stationnaire, le plus souvent d'importance secondaire en champ libre par rapport au bruit de charge instationnaire.