Modelling airframe noise : from aerodynamic topology to acoustic efficiency

par Wagner José Gonçalves Da Silva Pinto

Thèse de doctorat en Acoustique et aéroacoustique

Sous la direction de Yves Gervais et de Florent Margnat.

Le président du jury était Phillip Joseph.

Le jury était composé de Yves Gervais, Florent Margnat, Andreas Spohn, Véronique Fortuné, Eric Manoha.

Les rapporteurs étaient Marc C. Jacob, Manfred Kaltenbacher.

  • Titre traduit

    Modélisation du bruit d'origine aérodynamique : influence de la géométrie dans le bruit de forme


  • Résumé

    L’influence de la forme de cylindres longs sur leur rayonnement acoustique en écoulement est étudiée. Des simulations bidimensionnelles (2D) sont réalisées à bas nombre de Reynolds (Re=20-200), à l’aide du code de calcul direct (DNS) incompressible incompact3D au moyen d’une méthode de frontière immergée (IBM). Une formule dérivée de l’équation de Curle pour un cylindre compact permet la quantification de l’émission acoustique en 2D. En soufflerie anéchoïque, la signature acoustique d’une trentaine de géométries est mesurée, Re=4,000-53,000 ; l’anémométrie par fil chaud est utilisée pour la description des propriétés axiales de l’écoulement. L’avant corps et l’allongement (AR) sont les plus importantes propriétés géométriques tant pour l’écoulement que pour le rayonnement acoustique en 2D. Les géométries allongées sont généralement les plus silencieuses car les tourbillons sont moins intenses et repoussés vers l’aval et l’apparition de l’instationnarité est retardée. De leur côté, les résultats expérimentaux montrent que les géométries allongées sont les plus bruyantes, ce qui est à l’opposé des conclusions précédentes. Ceci est justifié par une augmentation significative de la cohérence de l’écoulement en envergure pour les AR les plus longs, presque complètement en phase, donc plus efficace acoustiquement. Globalement, cela implique que les géométries dont l’écoulement 2D est faiblement perturbé, marqué par un déclenchement plus tardif de l’instationnarité (Reynolds critique plus élevé), sont aussi plus organisées en 3D aux Re des mesures. La relation sous-jacente entre les transitions successives vers la turbulence nécessite une étude approfondie.


  • Résumé

    The influence of the shape on the sound emission of cylindrical bluff-bodies is studied. Simulations are performed in two-dimensions (2D) at low-Reynolds number (Re=20-200), with the incompressible direct Navier-Stokes (DNS) solver incompact3D, using the Immersed Boundary Method (IBM) formalism; the acoustic emission is evaluated by a single formula derived from Curle’s equation for compact cylinders. In anechoic wind tunnel, the acoustic signature is measured for about 30 geometries, Re=4,000-53,000; hot-wire measurements of the spanwise flow characteristics are performed for a subset of the tested cylinders. The influence of both the shape of the upstream portion of the geometry and the breadth-to-height ratio (AR) are proved to be major features in terms of both the flow and its acoustic emission in 2D. By reducing the strength of the vortices and pushing them downstream and affecting the mechanics of the von Kármán instability (delaying the transition to unsteadiness), stretched shapes (with higher AR) are generally quieter. From the experiments, it is found that the geometries of biggest AR are the loudest, contraposing the results obtained in 2D. The disparity is justified by a significant increase of the spanwise coherence associated with the larger AR’s, practically fully-phased, thus more acoustically efficient. Globally, it is implied that geometries which have weakly perturbed flow in 2D, marked by a later transition to unsteadiness (larger critical Reynolds number), are also more organized in 3D, high-Reynolds number regimes. The underlying relationship between low and high-Reynolds number transitions must be further investigated.


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