Résonances acoustiques dans un tube corrugué sous écoulement

par GaËtan Galeron

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Pierre-Olivier Mattei et de Muriel Amielh.

Soutenue le 14-05-2018

à l'Ecole centrale de Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille) , en partenariat avec Laboratoire de mécanique et d'acoustique (Marseille) (laboratoire) , Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre / IRPHE (laboratoire) et de Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique [Marseille] (laboratoire) .

Le jury était composé de Daniel Mazzoni, David Fabre, Fabien Anselmet, Ulf Kristiansen.

Les rapporteurs étaient Olivier Richoux, Régis Marchiano.


  • Résumé

    La problématique des résonances acoustiques dans un tube corrugué sous écoulement a été étudiée conjointement sur le plan expérimental et numérique. Des analyses portant sur la structure de l’écoulement lors de l’apparition du sifflement sont réalisées. Elles visent à mieux comprendre la nature du phénomène et le couplage aéroacoustique en jeu.Des expériences en laboratoire sur trois géométries de veines corruguées de petites longueurs(1 à 2 m) ont été réalisées. Un écoulement d’air était appliqué pour des vitesses comprises entre10 et 25 m/s et une pression voisine de la pression atmosphérique faisant apparaître les résonancesacoustiques longitudinales. Des mesures par fil chaud, microphone et par technique laser (Particle ImageVelocimetry) ont permis de caractériser l’écoulement dans des conditions favorisant le sifflement. Sur ces différentes mesures, nous avons appliqué une technique de reconstitution spatio-temporelle, laLinear Staochastic Estimation (LSE). Des simulations numériques de type Lattice Boltzmann (2D, codePOWERFLOW, EXA) ont permis de prédire ce phénomène aéroacoustique avec une bonne détermination des modes préférentiels selon les conditions d’écoulement dans un tuyau corrugué court(1 à 2 m).Finalement, des essais à haute pression (P < 40 bars) conduits sur un riser industriel de 18 m ontcomplété cette étude. Dans ce cas, la résonance produite devenait transverse. Des traitements dessignaux tels que la transformation de Hilbert Huang ou par ondelettes de Gabor ont été appliqués mettant en évidence l’influence de la géométrie des corrugations sur le sifflement en temps, en fréquence et enamplitude.Dans les deux configurations, que ce soit en laboratoire ou en installation industrielle, les structures au sein de l’écoulement, dont la fréquence caractéristique était celle du sifflement, se déplaçaient à la vitesse de l’écoulement. Dans les deux cas, lorsque le tuyau corrugué se met à chanter, les mesures de vitesse et de pression dans l’écoulement montre une prédominance du pseudo-bruit sur le signal sonore. L’excitation observée sur les risers en condition de sifflement est celle d’un pseudo-bruit de niveau defluctuations très important sans distorsion non linéaire, et ce malgré un niveau de 170 dB.

  • Titre traduit

    Acoustics resonances of a corrugated pipe under flow


  • Résumé

    The problem of acoustic resonances in a corrugated pipe under flow has been studied both experimentally and numerically. Analyzes concerning the flow structure during the whistling phenomenon are performed. They aim to better understand the nature of the phenomenon and the aeroacoustic coupling involved.Laboratory experiments were carried out on three geometries of corrugated veins of short lengths(1 to 2 m). An air flow was applied for speeds between 10 and 25 m/s and a pressure close toatmospheric pressure showing the longitudinal acoustic resonances. Measurements by hotwires,microphone and laser technique (Particle Image Velocimetry) allowed to characterize the flow under conditions favoring whistling. On these different measures, we applied a spatio-temporal reconstructiontechnique, the Linear Staochastic Estimation (LSE). Numerical simulations of Lattice Boltzmann method (2D, POWERFLOW code, EXA) have made possible the prediction of this aeroacousticphenomenon with a good determination of the preferential modes according to the flow conditions in ashort corrugated pipe (1 to 2 m).Finally, high pressure tests (P < 40 bars) conducted on an industrial riser of 18 m completed thisstudy. In this case, the resonance produced became transverse. Signal processing such as the HilbertHuang transformation or Gabor wavelet has been applied, highlighting the influence of the corrugation geometry on whistling in time, frequency and amplitude.In both configurations, whether in the laboratory or in an industrial facility, the structures within the flow, whose characteristic frequency was whistling, moved at the rate of flow. In both cases, when the corrugated pipe sings, velocity and pressure measurements in the flow show a predominance of the pseudo-noise on the sound signal. The excitation observed on the risers in the whistling condition is that of a pseudo-noise of very high level of fluctuations without non-linear distortion, and this despite a level of 170 dB.


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