Calcul numérique de fonctions de Green adaptées à un couplage fluide-fluide ou fluide-structure pour la diffraction acoustique par un obstacle immergé. Application à la signature acoustique des systèmes navals excités par un écoulement turbulent.

Numerical computation of Green's functions tailored to fluid-fluid or fluid-structure couplings for the acoustic scattering by a submerged obstacle. Application to the acoustic signature of naval systems excited by a turbulent flow.

• Auteur / Autrice : Louise Pacaut
• Direction : Jean-François Mercier, Stéphanie Chaillat-loseille
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 21/01/2025
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau ; 1970 -....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : POEMS - Propagation des Ondes, Etudes Mathématiques et Simulation
• Jury : Président / Présidente : Olivier DOARé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Mercier, Elwin Van't wout, Gloerfelt Xavier, Camille Carvalho, Régis Marchiano, Emmanuel Perrey-debain, Stéphanie Chaillat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elwin Van't wout, Gloerfelt Xavier

Mots clés

Mots clés libres

Fonctions de Green adaptées

Méthode couplée des éléments de frontière

Couplage fluide-structure

Couplage fluide-fluide

Acoustique sous-marine

Analogie acoustique de Lighthill

Tailored Green's function

Coupled Boundary Element Method

Fluid-structure coupling

Fluid-fluid coupling

Underwater acoustics

Lighthill’s acoustic analogy

Résumé

Lorsqu'une structure immergée se déplace dans l’eau, une couche limite turbulente et un sillage se forment autour d'elle. Pour des applications en acoustique sous-marine, la diffraction des excitations turbulentes doit tenir compte de l'élasticité de la structure. Le but de la thèse est de développer une méthodologie complète permettant de déterminer la pression rayonnée par la structure élastique avec comme données d’entrée les caractéristiques de l’écoulement turbulent. Pour cela, nous exploitons l'analogie acoustique de Lighthill, adaptée aux conditions sous-marines (bas Mach, haut Reynolds). Pour résoudre l’équation de Lighthill, une stratégie consiste à introduire des fonctions de Green dites ''adaptées'' à l'obstacle. Nous nous concentrons sur la méthode numérique pour calculer des fonctions de Green ''adaptées'', capables de traiter le couplage fluide-structure. Les travaux disponibles sur les fonctions de Green adaptées se divisent en deux catégories : (i) des calculs analytiques pour les structures rigides ou même élastiques, mais avec des géométries simples et (ii) des méthodes numériques pour des structures rigides de forme arbitraire. Cette thèse propose une approche numérique pour déterminer ces fonctions de Green adaptées à des obstacles élastiques de formes arbitraires, à travers une méthode couplée d'éléments de frontière (BEM-BEM), tandis que les méthodes actuelles sont limitées aux structures rigides. Dans un premier temps, une fonction de Green adaptée à un couplage simplifié fluide-fluide (e.g., une bulle d'air dans l’eau) est mise en place et validée numériquement. Cette étape intermédiaire a permis de résoudre des problèmes numériques et de valider le modèle pour les interactions entre plusieurs bulles. Cette méthode s’est montrée efficace notamment pour traiter des applications industrielles telles que la diffraction par des rideaux de bulles ou par des écoulements turbulents diphasiques. La méthode est ensuite étendue au couplage fluide-structure élastique. Les divers tests numériques ont mis en évidence que la fonction de Green adaptée détermine efficacement les effets de diffraction de la structure élastique et contient intrinsèquement les modes vibratoires de la structure. Après avoir considéré des termes sources idéalisés tels que l'onde plane incidente ou les quadrupoles ponctuels, la méthodologie complète combinant la modélisation de l'excitation turbulente et la diffraction par la structure élastique, est finalement appliquée. Les applications finales portent sur un profil NACA élastique, tant dans l'air que dans l'eau, excitée par un écoulement turbulent préalablement calculé.

When a submerged structure moves through water, a turbulent boundary layer and a wake form around it. For applications in underwater acoustics, the diffraction of turbulent excitations must consider the elasticity of the structure. The aim of this thesis is to develop a complete methodology for determining the pressure radiated by the elastic structure, using the characteristics of the turbulent flow as input data. To this end, we exploit Lighthill’s acoustic analogy, adapted to underwater conditions (low Mach, high Reynolds). To solve the Lighthill equation, a strategy is to introduce Green's functions “tailored” to the obstacle. We focus on the numerical method for computing tailored Green's functions, capable of handling fluid-structure coupling. Available work on tailored Green's functions falls into two categories: (i) analytical calculations for rigid or even elastic structures, but with simple geometries, and (ii) numerical methods for rigid structures of arbitrary shape. This thesis proposes a numerical approach to determine tailored Green's functions for elastic obstacles of arbitrary shapes, through a coupled boundary element method (BEM-BEM), whereas current methods are limited to rigid structures. As a first step, a tailored Green's function for a simplified fluid-fluid coupling (e.g., an air bubble in water) is set up and numerically validated. This intermediate step enabled us to solve numerical problems and validate the model for interactions between several bubbles. The method has proved to be particularly effective for industrial applications such as scattering by bubble curtains or by two-phase turbulent flows. The method was then extended to elastic fluid-structure coupling. Various numerical tests have shown that the tailored Green's function effectively determines the scattering effects of the elastic structure and intrinsically contains the structure's vibrating modes. After considering idealized source terms such as incident plane waves or located quadrupoles, the complete methodology, combining turbulent excitation models and the scattering by the elastic structure, is finally applied. The final applications concern elastic NACA profiles, both in air and in water, excited by a previously calculated turbulent flow.