Étude aéroacoustique de l'interaction orthogonale pale/tourbillon

par Paul Zehner

Thèse de doctorat en Acoustique (AM)

Sous la direction de Xavier Gloerfelt, Fabrice Falissard et de Yves Delrieux.

Soutenue le 01-02-2018

à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Dynamique des Fluides (Paris) (laboratoire) et de Laboratoire de Dynamique des Fluides (laboratoire) .

Le président du jury était Michel Roger.

Le jury était composé de Xavier Gloerfelt, Fabrice Falissard, Yves Delrieux, Laurence Vion.

Les rapporteurs étaient Stéphane Moreau, Damiano Casalino.


  • Résumé

    L'industrie aéronautique cherche à réduire son empreinte environnementale et à augmenter son efficacité. Un axe de recherche porte sur la conception de moteurs plus efficients comme le CROR, pour Counter Rotating Open Rotor. Ce moteur reprend les éléments des turboréacteurs en changeant sa soufflante carénée par doublet d'hélices contrarotatives non caréné qui augmente son rendement. Il est environ 30 % plus économique qu'un turboréacteur de puissance équivalente, mais génère un bruit important.Ce bruit a plusieurs origines, dont la principale en basse vitesse (situation de décollage ou d'atterrissage) vient de l'interaction entre les hélices du doublet. La composante la plus importante dans cette interaction est l'interaction entre l'hélice aval et les tourbillons marginaux issus de l'hélice amont. Le mécanisme de génération de bruit de cette interaction est complexe. Il a été montré dans des travaux précédemment menés à l'Onera que le type de tourbillon a une influence sur le bruit généré.L'objectif de cette thèse est d'étudier le rayonnement acoustique de l'interaction orthogonale entre un tourbillon et une pale en rotation. L'étude porte sur des configurations simplifiées (pale simpliste, tourbillons analytiques).Le but est d'identifier et de hiérarchiser les paramètres déterminants de cette interaction, c'est-à-dire la géométrie de la pale et les propriétés du tourbillon, sur le bruit rayonné, puis de trouver une configuration silencieuse.Pour cela, une étude paramétrique est mise en place. Cette étude se base sur une approche numérique et utilise les codes de calcul Cassiopée et Kim développés à l'Onera. La modélisation physique utilise les équations d'Euler instationnaires dans leur formulation tridimensionnelle et compressible pour la dynamique des fluides et les équations de Ffowcs-Williams et Hawkings dans leur formulation sur surface solide en rotation pour le rayonnement acoustique. Les simulations sont réalisées à un ordre élevé et utilisent la méthode Chimère. L'analyse porte à la fois sur la réponse aérodynamique en champ proche et sur le rayonnement acoustique en champ lointain.À partir des résultats de cette étude paramétrique, il est prévu de rechercher des critères de design pour la réalisation de pales optimales et silencieuses.Il est ensuite prévu d'étudier, avec ces critères, la conception d'hélices de CROR valides autant sur le plan acoustique que sur le plan aérodynamique. Les applications de la thèse ne se limitent cependant pas qu'à ce moteur, mais à n'importe quelle configuration où la trajectoire d'une pale croise un tourbillon, comme sur un hélicoptère par exemple, pour l'interaction entre le sillage du rotor principal et le rotor de queue.

  • Titre traduit

    Aeroacoustics study of orthogonal blade/vortex interaction


  • Résumé

    The aeronautics industry focuses on decreasing its ecological footprint and increasing airplanes efficiency. One way for this is to design more efficient motors, like CROR, for Counter Rotating Open Rotor. This engine, also called propfan, is quite close to a turbofan, but with a pair of counter rotating propellers instead of ducted fan, which increase its yield. The efficiency is about 30 % higher than a turbofan of equal power, but it generates a lot of noise.This noise has several causes, the main one at low speed (typical takeoff or landing situation), is due to the interaction between propellers. The higher contribution to this interaction is the interaction between rear blades and tip vortexes generated by front blades. The noise generation process of this interaction is complex. It has been shown in previous studies at Onera that vortex kind plays an important role on the generated noise.The goal of this thesis is to identify and classify the influent parameters of this interaction on the noise generation, especially the blade geometry and the vortex properties, and then, to find a silent configuration.To this aim, a parametric study is set up. This study is based on a numerical approach and uses the Cassiopée and Kim computational softwares, developed at Onera. Physical models uses Euler unsteady equations, in their three dimensional and compressible expression, for the CFD and Ffowcs-Williams and Hawkings equations, in their rotating solid surface expression, for the CAA. Simulations are run on high orders schemes and use the Chimera method. Analyses are based on both close field fluid dynamics and far field acoustics.With the results of this parametric study, silent and optimal blades design criteria will be find out.Then, with these criteria, it will be possible to design CROR blades which are aeroacoustically efficient as well as aerodynamically efficient. The outcomes of this thesis are not limited to CROR situation only: any configuration where a blade crosses a vortex orthogonally can benefits from this study, by instance the interaction in a helicopter between the main rotor flow and the tail rotor blades.


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  • Sous le titre : Étude aéroacoustique de l'interaction orthogonale pale/tourbillon
  • Détails : 1 vol. (iv-212 p.)
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