Etude expérimentale de l'excitation et de la réponse vibroacoustique d'une conduite sollicitée par un écoulement interne

par Christophe Durant

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Daniel Juvé.

Soutenue en 1999

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon .


  • Résumé

    Dans ce travail, nous nous intéressons au problème de la réponse vibratoire et du rayonnement acoustique des structures sollicitées par des écoulements turbulents. Ces problèmes d'interaction fluide-structure demeurent une préoccupation dans le secteur des transports à grande vitesse (confort acoustique des passagers) mais aussi dans le domaine de la production d'énergie nucléaire (exigence de sûreté). L'objectif à longs termes serait de pouvoir prédire numériquement la réponse d'une structure connaissant les caractéristiques de l'excitation induite par l'écoulement. Notre travail s'inscrit dans cette démarche. L'étude des problèmes d'interaction fluide-structure est délicate compte tenu des différentes disciplines scientifiques qu'elle fait intervenir (mécanique des fluides, mécanique des vibration, acoustique). Nous avons donc choisi d'étudier une configuration élémentaire permettant d'avoir accès aux différents paramètres du problème : excitation, vibration et acoustique. Cette configuration est celle d'une conduite cylindrique sollicitée par un écoulement interne pleinement développé. Avec ce dispositif, nous nous sommes fixé deux objectifs : en premier, analyser les différents mécanismes qui conduisent à la réponse acoustique de la conduite et, en second, créer une base de données complète qui puisse être utilisée pour caler des codes de prédictions. Pour assurer la validité et la qualité de la base de données, nous portons un grand soin à la conception et à la réalisation du moyen d'essai. La zone de mesures se situe ainsi à 45 diamètres de l'extrémité amont de la conduite pour obtenir un écoulement pleinement développé (vitesse maximale : 130 m/s), ceci est confirmé par des mesures de profils de vitesse et d'évolution longitudinale de la pression statique. De son coté, la coque de diamètre 0,125 m, de longueur 0,46 m et d'épaisseur 0,5 mm dont nous mesurons la réponse vibroacoustique est contrôlée via une analyse modale. Une attention particulière est portée sur l'aspect excitation tant du point de vue mesure que traitement La pression pariétale induite par l'écoulement est mesurée par un réseau de microphones montés affleurant à la paroi interne de la conduite. Les résultats obtenus sont alors traités pour éliminer la contribution acoustique en basses fréquences et corriger la perte de résolution spatiale en hautes fréquences. Trois techniques dites de décontamination acoustique sont détaillées et testées, cette partie constitue une originalité de notre travail notamment pour ce qui est des résultats sur la densité interspectrale. Toutes les données relatives au champ de pression pariétale permettent d'alimenter un modèle traduisant le comportement fréquentiel et spatial du champ excitateur. Ce modèle est à son tour implanté dans un code de calcul développé au Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique de Marseille et différentes simulations montrent l'importance de la vitesse de convection sur les prédictions. Pour compléter la base de données, la réponse vibratoire de la coque soumise à l'écoulement est mesurée à l'aide d'un vibromètre laser, de même son rayonnement acoustique est mesuré au moyen de microphones et d'une sonde intensimétrique. Ces réponses font apparaître un comportement modale clairement identifié jusqu'à 1600 Hz. Leur évolution avec la vitesse d'écoulement suit une loi puissance en U3'2.

  • Titre traduit

    Experimental study of excitation and vibroacoustic response of a pipe excited by an internal flow.


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    In this study, we focus on flow induced vibration and noise phenomena. This type of fluid-structure interaction problem concerns mainly high speed transports (acoustic corn-fort) and nuclear power production (security). Long-dated, the global aim is the possibility to predict the vibroacoustic response of a structure knowing the characteristics of the flow excitation. Our work is in keeping with this general pattern. The study of such phenomena is difficult because it includes several scientific branches as fluid mechanics, vibration mechanics and acoustic. Therefore, we chose to consider a simple configuration allowing to have access to the different parameters : excitation, vibration and acoustic. So, our experimental study considers the vibroacoustic response of a pipe excited by a fully developed internai flow. The aims of our work are (i) the understanding of the mechanism leading to the response of the pipe and (ii) the creation of a data bank usable for numerical predictions. To insure the validity and the quality of our data bank, we take special care of the conception and the realization of the pipe rig facility which was mounted in anechoic wind tunnel of the LMFA. So, the test section is located 45 diameters from the upstream end of the pipe to achieve a fully developed flow. This characteristic is confirmed owing to velocity profiles and static pressure measurements up to a maximal centerline flow velocity of 130 m/s. Moreover, the 0. 125 m diameter, 0. 46 m long and 0. 5 mm thickness shell which we measure the vibroacoustic response is controlled with a modal analysis. We turn one 's attention to the characterization of the excitation induced by the flow. The wall pressure field is measured with an array of flush-mounted microphones. Then, the results are treated to cancel the acoustic contribution in the low frequency range and to correct the loss of spatial resolution for higher frequencies. Three noise cancellation techniques are detailed and tested. This point represents an original part of our work, especially its extension to the cross-spectral density of the wall pressure field. All the data on the wall pressure field are regrouped in a model of excitation traducing its frequential and spatial behavior. Then, this model is introduced in numerical calculation developed by the Mechanics and Acoustic Laboratory of Marseille. Several simulations show the importance of the convection velocity on the predictions. To complete the data bank, the vibration response of the pipe excited by the flow is measured with a laser vibrometer and the acoustic radiation is measured with microphones and an intensity probe. These responses exhibit a modal behavior identified up to 1600 Hz and follow a power law U03,2 with the flow velocity.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (154 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 71 ref.

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  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T1812
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