Etude numérique de la propagation non linéaire des infrasons dans l'atmosphère

par Gaël Hanique-Cockenpot

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Christophe Bailly et de Olivier Marsden.

Le président du jury était Philippe Blanc-Benon.

Le jury était composé de Olaf Gainville, Patrice Malbequi.

Les rapporteurs étaient Philippe Lafon, François Coulouvrat.


  • Résumé

    Cette thèse propose une étude de la propagation non linéaire des infrasons dans l’atmosphère par résolution temporelle des équations de la mécanique des fluides compressibles en s’appuyant sur des algorithmes développés pour l’aéroacoustique. L’étude se restreint aux ondes émises par les explosions de forte amplitude. Une étude bibliographique est d’abord réalisée pour identifier les phénomènes physiques influents et pour détailler un modèle d’atmosphère réaliste qui soit compatible avec une résolution numérique directe. Les équations de Navier-Stokes sont ensuite formulées pour intégrer les effets hors-équilibre de la relaxation de la vibration moléculaire. Cette étape est accompagnée de développements analytiques servant de base `a une discussion des effets dissipatifs et des effets de l’inhomogénéité atmosphérique de grande échelle. Les méthodes numériques optimisées retenues pou l’implémentation du solveur sont ensuite présentées. La stabilité et la précision sont étudiées analytiquement, puis le code de calcul est validé par des séries de simulations dans des configurations simples pour lesquelles des solutions analytiques sont disponibles. Une discrétisation adaptée pour la simulation des infrasons non linéaires se propageant dans l’atmosphère est alors proposée. Le solveur est ensuite validé dans la configuration complexe d’un modèle réaliste d’atmosphère, d’abord par une convergence de maillage, puis par confrontation avec des méthodes numériques préexistantes. L’influence des effets dissipatifs et des effets non linéaires est ensuite discutée sur la base des résultats numériques. L’influence générale des vents atmosphériques est par ailleurs présentée et des phénomènes spécifiques tels que les réflexions partielles ou les ondes rampantes sont évoqués. Enfin, une confrontation des simulations avec une expérience de référence est réalisée et les similitudes entre les enregistrements numériques et expérimentaux sont soulignées.


  • Résumé

    This thesis proposes a study of non linear infrasound propagation through the atmosphere by a time integration of compressible fluid mechanics equations using aeroacoustics algorithms. The survey is restricted to the case of infrasound emitted by high amplitude explosions. Existing literature is reviewed to identify influential physical phenomena and to detail a realistic atmosphere model compatible with direct numerical methods. Afterwards, the Navier-Stokes equations are formulated to take non-equilibrated vibrational relaxation effects into account. Acoustic absorption and effects of high-scale atmospheric in homogeneities are then discussed on the basis of analytical developments. Subsequently, the optimized numerical methods implemented in the solver are introduced. Numerical stability and accuracy are analyzed, then the method is validated by series of simple configuration simulations and an adapted discretization is proposed to simulate non linear infrasound propagating in the atmosphere. The solver is validated in the configuration of a complex realistic atmosphere, first by a grid convergence method and second by confronting the results to those of other numerical approaches. The influence of acoustic absorption and non linear effects are then discussed by analyzing numerical results. General influence of winds is also introduced and specific phenomena, such as partially reflected waves or creeping waves, are evoked. Finally, simulations are compared with a full-scale experience and similarities between both kind results are underlined.

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