Wavepackets as sound-source mechanisms in subsonic jets

par André Valdetaro Gomes Cavalieri

Thèse de doctorat en Mécanique des milieux fluides et acoustique

Sous la direction de Yves Gervais et de Peter Jordan.

Le président du jury était N. D. Sandham.

Le jury était composé de Yves Gervais, Peter Jordan, Joël Delville, Jacques Borée, Paulo A. O. Soviero.

Les rapporteurs étaient Daniel Juvé, Tim Colonius.

  • Titre traduit

    Les paquets d'ondes comme mécanismes de génération de bruit des jets subsoniques


  • Résumé

    On considère les paquets d'ondes hydrodynamiques comme mécanismes de génération de bruit des jets subsoniques. Cette approche résulte tout d'abord de l'analyse de données numériques - DNS d'une couche de mélange (Wei et Freund 2006) et LES d'un jet à Mach 0,9 (Daviller 2010) - permettant de déterminer les propriétés des sources en termes de compacité, d'intermittence et de structure azimutale. L'identification d'un rayonnement intermittent associé aux modifications des structures cohérentes des écoulements permet de proposer un modèle de paquet d'onde pour représenter ce phénomène dans l'analogie de Lighthill, dont l'enveloppe présente des variations temporelles d'amplitude et d'étendue spatiale. Celles-ci sont tirées de données de vitesse de simulations numériques de jets subsoniques, et un accord de l'ordre de 1,5dB entre le champ acoustique simulé et le modèle confirme sa pertinence. L'exploration du concept proposé est ensuite poursuivie expérimentalement, avec des mesures de pression acoustique et de vitesse de jets turbulents subsoniques, permettant la décomposition des champs en modes de Fourier azimutaux. On observe l'accord des directivités des modes 0, 1 et 2 du champ acoustique avec le rayonnementd'un paquet d'onde. Les modes 0 et 1 du champ de vitesse correspondent également à des paquets d'onde, modélisés comme des ondes d'instabilité linéaires à partir des équations de stabilité parabolisées. Finalement, des corrélations de l'ordre de 10% entre les modes axisymétriques de vitesse dans le jet et de pression acoustique rayonnée montrent un lien clair entre les paquets d'onde et l'émission acoustique du jet.


  • Résumé

    Hydrodynamic wavepackets are studied as a sound-source mechanism in subsonic jets. We first analyse numerical simulations to discern properties of acoustic sources such as compactness, intermittency and azimuthal structure. The simulations include a DNS of a two-dimensional mixing layer (Wei and Freund 2006) and an LES of a Mach 0.9 jet (Daviller 2010). In both cases we identify intermittent radiation, which is associated with changes in coherent structures in the flows. A wave-packet model that includes temporal changes in amplitude and axial extension is proposed to represent the identified phenomena using Lighthill's analogy. These parameters are obtained from velocity data of two subsonic jet simulations, and an agreement to within 1.5dB between the model and the acoustic field of the simulations confirms its pertinence. The proposed mechanism is then investigatedexperimentally, with measurements of acoustic pressure and velocity of turbulent subsonic jets, allowing the decomposition of the fields into azimuthal Fourier modes. We find close agreement of the directivities of modes 0, 1 and 2 of the acoustic field with wave-packet radiation. Modes 0 and 1 of the velocity field correspond also to wavepackets, modelled as linear instability waves using parabolised stability equations. Finally, correlations of order of 10% between axisymmetric modes of velocity and far-field pressure show the relationship between wavepackets and sound radiated by the jet.


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