Effects of distortion on modern turbofan tonal noise

par Majd Daroukh

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Nicolas Gourdain et de Stéphane Moreau.

Le président du jury était Michel Roger.

Le jury était composé de Nicolas Gourdain, Stéphane Moreau, Michel Roger, Sheryl Grace, Sébastien Poncet, Jean-François Boussuge, Cyril Polacsek.

Les rapporteurs étaient Michel Roger, Sheryl Grace.

  • Titre traduit

    Effets de la distorsion sur le bruit tonal d’un turboréacteur moderne


  • Résumé

    Et une quantification de la distorsion due à l’effet potentiel des OGVs et de celle due à l’asymétrie de l’entrée d’air sont proposées. Les effets de la distorsion sur l’aérodynamique sont mis en évidence avec notamment une modification importante des sillages des pales de la soufflante, des chocs et de la charge instationnaire exercée sur les différentes pales et aubes. Des prévisions Les objectifs en termes de réduction de la consommation et du bruit émis par les moteurs d’avions ont progressivement mené aux architectures à très grand taux de dilution (UHBR). Leur géométrie est caractérisée par une entrée d’air courte et par une réduction de l’espace entre la soufflante et les aubes du redresseur du flux secondaire (OGVs), entraînant alors une augmentation de l’inhomogénéité azimutale de l’écoulement au niveau de la soufflante. Cette inhomogénéité, appelée distorsion, pourrait impacter le bruit tonal généré par le module de la soufflante. Ce bruit est généralement supposé être dominé par le mécanisme d’interaction des sillages des pales de la soufflante avec les OGVs. En régime transsonique, le bruit de choc et le bruit de charge stationnaire deviennent également prépondérants. L’augmentation de la distorsion pourrait être à l’origine de nouvelles sources de bruit en interagissant avec les pales de la soufflante et l’objectif de cette thèse est d’évaluer leur contribution. Les effets de la distorsion sur les mécanismes de bruit déjà existants sont également analysés. Cette étude est réalisée à l’aide de simulations numériques des équations instationnaires de Navier-Stokes moyennées (URANS). Un module complet de fan est considéré sur 360 degrés et se compose d’un conduit d’entrée d’air, de la soufflante et des redresseurs des flux primaire et secondaire (IGVs/OGVs). Le redresseur du flux secondaire est typique des moteurs actuels avec un pylône intégré et deux entrées d’air différentes sont étudiées de manière à isoler les effets de la distorsion d’entrée d’air. La première est axisymétrique et ne produit donc pas de distorsion alors que la deuxième ne l’est pas et produit un niveau de distorsion typique de ceux attendus dans les moteurs UHBR. Une description acoustiques basées sur les approches directe et hybride sont réalisées et soulignent la contribution importante des sources localisées sur les pales de la soufflante sur le bruit amont. Le bruit aval reste dominé par les sources sur les OGVs mais est tout de même impacté par la distorsion d’entrée d’air via la modification des sillages.


  • Résumé

    Fuel consumption and noise reduction trigger the evolution of aircraft engines towards Ultra High Bypass Ratio (UHBR) architectures. Their short air inlet design and the reduction of their interstage length lead to an increased circumferential inhomogeneity of the flow close to the fan. This inhomogeneity, called distortion, may have an impact on the tonal noise radiated from the fan module. Usually, such a noise source is supposed to be dominated by the interaction of fan-blade wakes with Outlet Guide Vanes (OGVs). At transonic tip speeds, the noise generated by the shocks and the steady loading on the blades also appears to be significant. The increased distortion may be responsible for new acoustic sources while interacting with the fan blades and the present work aims at evaluating their contribution. The effects of distortion on the other noise mechanisms are also investigated. The work is based on full-annulus simulations of the Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) equations. A whole fan module including the inlet duct, the fan and the Inlet and Outlet Guide Vanes (IGVs/OGVs) is studied. The OGV row is typical of current engine architecture with an integrated pylon and two different air inlet ducts are compared in order to isolate the effects of inlet distortion. The first one is axisymmetric and does not produce any distortion while the other one is asymmetric and produces a level of distortion typical of the ones expected in UHBR engines. A description and a quantification of the distortion that is caused by both the potential effect of the OGVs and the inlet asymmetry are proposed. The effects of the distortion on aerodynamics are highlighted with significant modifications of the fanblade wakes, the shocks and the unsteady loading on the blades and on the vanes. Both direct and hybrid acoustic predictions are provided and highlight the contribution of the fan-blade sources to the upstream noise. The downstream noise is still dominated by the OGV sources but it is shown to be significantly impacted by the inlet distortion via the modification of the impinging wakes.


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