Contrôle du champ acoustique des sons auto-entretenus via la dynamique tourbillonnaire : application au jet plan heurtant une plaque fendue

Control of the acoustic field of self-sustaining tones via vortex dynamics : application to a rectangular jet impinging a slotted flat plate

• Auteur / Autrice : Marwan Alkheir
• Direction : Anas Sakout, Kamel Abed-Meraïm
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 04/12/2020
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Euclide (La Rochelle ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Henda Djeridi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anas Sakout, Kamel Abed-Meraïm, Henda Djeridi, Azeddine Kourta, Fethi Aloui, Vincent Valeau, Laurent Rambault, Erik Etien
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Azeddine Kourta, Fethi Aloui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lutte contre le bruit

Aéroacoustique

Tourbillons (mécanique des fluides)

Jets -- Fluides, Dynamique des

Mots clés libres

Jet impactant

Double PIV stéréoscopique en un seul plan (D-SPIV)

Dynamique tourbillonnaire

Mécanisme de contrôle

Champ acoustique

Son auto-entretenu

Impinging jet

Double stereoscopic PIV (D-SPIV)

Vortex dynamics

Control mechanism

Acoustic field

Self-sustaining tones

Résumé

Une étude expérimentale d’un jet d’air plan heurtant une plaque fendue a été menée. Cette étude a été réalisée pour deux nombres de Reynolds Re=5900 et Re=6700, avec un rapport d’impact L/H=4. Les écoulements associés produisent des sons auto-entretenus. Leurs dynamiques tourbillonnaires ainsi que les champs acoustiques rayonnés présentent des comportements atypiques. Afin de réduire les nuisances sonores dues à l’installation de sons auto-entretenus, un mécanisme de contrôle (tige de 4 mm) a été installé dans l’écoulement pour perturber la dynamique tourbillonnaire responsable de l’installation du son auto-entretenu. L’influence de 1085 positions de la tige entre la sortie du jet et la plaque fendue a été étudiée. Des moyens et des codes spécifiques ont été développés pour des investigations appropriées notamment une technique laser optique spécifique de double SPIV en un seul plan « D-SPIV » a été conçue réalisée. En absence de la tige, pour se renseigner sur la dynamique tourbillonnaire des écoulements pour les deux Reynolds Re=5900 et Re=6700, des mesures SPIV ont été réalisées permettant ainsi de caractériser les états de références des deux écoulements. Pour le premier nombre de Reynolds (Re=5900), deux boucles de sons auto-entretenus ont été mises en évidence. Une à la fréquence de 160 Hz et l’autre à la fréquence de 320 Hz. Ces deux boucles, installées, sont caractérisées respectivement par les organisations tourbillonnaires symétriques et antisymétriques du jet qui alternent dans le temps d’une façon aléatoire. Cependant, le régime antisymétrique à la fréquence 320 Hz est plus persistant dans le temps. Pour le deuxième nombre de Reynolds (Re=6700), l’étude dynamique de l’écoulement a montré que le jet est antisymétrique avec une fréquence de détachement tourbillonnaire de 380 Hz alors que la fréquence la plus énergétique qui caractérise le son auto-entretenu de l’écoulement est de 168 Hz. Lors de la mise en place du mécanisme de contrôle par l’installation de la tige, pour les deux nombres de Reynolds étudiés, il a été trouvé deux zones de contrôle. La première zone est sur l’axe du jet. Lorsque la tige est positionnée dans cette zone, le niveau de pression acoustique baisse d’environ 20 dB. De plus, il y a une disparition de la boucle de sons auto-entretenus. Lorsque la tige occupe des positions dans la deuxième zone qui est située aux environs de la tangente inférieure du jet, le niveau acoustique augmente d’environ de 12 dB. Cependant, il y a disparition de la boucle de sons auto-entretenus. Pour les deux nombres de Reynolds, l’étude de la dynamique des écoulements en présence de la tige, montre que lorsque la tige est installée dans la zone 2, le jet est dévié et une partie des structures tourbillonnaires passe directement par la fente sans se déformer expliquant ainsi la disparition de la boucle d’auto-entretien et l’augmentation de 12 dB du niveau acoustique du champ rayonné, alors que le débit à travers la fente est réduit d’environ 50 %. Lorsque la tige est installée dans la zone 1, aucune structure ne passe par la fente ce qui explique la disparition de la boucle d’auto-entretien et la baisse du niveau de pression acoustique d’environ 20 dB. L’activité tourbillonnaire installée de part et d’autre de la fente crée des zones de recirculations inversant ainsi le débit à travers la fente.

An experimental study of a rectangular jet of air impinging on a slotted plate is considered in this work. This study is performed for two Reynolds numbers Re = 5900 and Re = 6700, with an impact ratio L/H=4, where L is the plate-to-nozzle distance and H is the height of the slot. This configuration consists of a flow producing self-sustaining tones. Atypical behavior of the flow through its vortices and acoustic field is found in this study. In order to reduce the noise generation, a control mechanism comprising a 4mm rod is installed in the flow to disturb the vortex dynamics responsible for the loop of self-sustaining tones installed along the jet. A total of 1085 rod positions are tested between the nozzle and the impinged plate in order to find optimal positions. Specific metrologies and codes are developed for appropriate investigations. In particular, a laser technique consisting of double Stereoscopic PIV in a plane « D-SPIV » is employed.In the absence of the rod, in order to visualize the vortex dynamics for both Reynolds numbers Re = 5900 and Re = 6700, SPIV measurements are performed. This allows to characterize these flows in their reference states. For the first Reynolds number (Re = 5900), two self-sustaining tones loops are highlighted. The first has a frequency of 160 Hz and the second has a frequency of 320 Hz. These two loops characterize respectively a symmetric and an asymmetric vortex organization of the jet and alternate in a random pattern with respect to time. The asymmetric regime (f=320 Hz) is more persistent over time. For the second Reynolds number (Re = 6700), the dynamic study of the flow shows that the jet is asymmetric with a vortex shedding frequency equal to 380 Hz, while the more energetic frequency which characterizes the self-sustaining tones of the flow is equal to 168 Hz.When control mechanism is employed through the rod, for both Reynolds numbers, two control zones could be distinguished. The first one is on the axis of the jet. Once the rod is positioned in this zone, the sound pressure level drops by approximately 20 dB. Moreover, the self-sustaining tones loop disappears. When the rod is positioned in the second zone which is located around the lower mixing layer of the jet, the sound pressure level increases by about 12 dB and the self-sustaining tones loop disappears.The study of the dynamics of the flow in the presence of the control mechanism for both Reynolds numbers shows a deflection of the jet when the rod is installed in the second zone (near from the lower mixing layer of the jet). Actually, a part of the vortices escape directly through the slot of the plate without deformation, what explains the disappearance of the self-sustaining loop and the increase of the acoustic level by 12 dB. At the same time, the flow rate through the slot is reduced by about 50%. When the rod is installed in the first zone (on the axis of the jet), no vortices are found to escape through the slot of the plate what explains the disappearance of the self-sustaining loop and the drop in sound pressure level by approximately 20 dB. The vortex activity on both sides of the slot creates recirculation zones in such a way that the flow through the slot is reversed.