Étude numérique de la diffusion du son par des tourbillons elliptiques isolés et des couches de cisaillement de jets turbulents

Numerical study of sound scattering by isolated elliptic vortices and turbulent jet shear layers

• Auteur / Autrice : Laura Martin Martin
• Direction : Christophe Bogey, Gwénaël Gabard, Sophie Le Bras, Vincent Clair
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 01/07/2024
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et d'acoustique (Rhône ; Ecully, Rhône ; 1962)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Corre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Bogey, Gwénaël Gabard, Sophie Le Bras, Lionel Larchevêque
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roberto Camussi, Benjamin Cotté
• DOI : 10.70675/51d891caz50afz4d7azbf26z9186792ef165

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement cisaillé

Méthodes de Galerkine discontinues

Mots clés libres

Diffusion spatiale

Élargissement spectral

Couches de cisaillement turbulentes

Tourbillon de Kirchhoff

Méthode de Galerkin discontinue

Equations d'Euler linéarisées

Spatial scattering

Spectral broadening

Haystacking

Diffusion

Turbulent shear layers

Kirchhoff vortex

Discontinuous Galerkin Method

Linearized Euler Equations

Résumé

Cette étude est consacrée à la diffusion d'ondes acoustiques par des tourbillons isolés et couches de cisaillement de jet turbulentes. Lorsque les ondes acoustiques traversent un volume de turbulence, les fluctuations de la turbulence modifient la direction de propagation des ondes. En outre, si la turbulence évolue dans le temps, le contenu spectral du son change également, ce qui entraîne un élargissement spectral. Afin de mieux comprendre ces phénomènes, une série d'analyses numériques a été réalisée. Pour ce faire, un code fourni par Siemens a été utilisé, dans lequel les Equations d'Euler Linéarisées sont résolues par la Méthode de Galerkin Discontinue. Il simule la propagation des ondes acoustiques sur un écoulement de base défini par l'utilisateur. Pour prendre en compte l'élargissement spectral, le code a été modifié pour pouvoir interpoler en temps et en espace des données externes dépendant du temps dans l’écoulement de base. L'interpolation a été testée par des différentes études de convergence du champ de pression diffusé par une couche de mélange bidimensionnelle. D'autres caractéristiques ont également été mises en œuvre pour faire face aux instabilités numériques causées par l'inhomogénéité de l’écoulement de base. Dans un premier temps, la diffusion des ondes acoustiques causée par un tourbillon elliptique de Kirchhoff isolé est étudiée. Lorsque le tourbillon est fixé dans l'espace, l'étude se concentre sur les effets de l'ellipticité, de l'orientation du tourbillon par rapport à la direction de propagation de l'onde acoustique incidente, de la vitesse tangentielle du tourbillon et de sa taille par rapport aux ondes acoustiques. La diffusion a été également étudiée lorsque le tourbillon est convecté. Une attention particulière a été accordée à son ellipticité et à la vitesse de convection. Les résultats montrent que l'ellipticité et surtout l'orientation du tourbillon jouent un rôle clé dans la diffusion. Enfin, l'étude de la diffusion du son par les couches de cisaillement des jets turbulents est menée, où la source acoustique est située à l'axe du jet. Pour cela, les données interpolées dans l'écoulement de base du code DGM appartiennent à une base de données externe de jets ronds simulés par LES. Ces jets ont des nombres de Mach variant entre 0,3 et 1,3, et leur température est 1, 1,5 ou 2,25 fois la température ambiante. Ces paramètres modifient les propriétés des fluctuations turbulentes. Le contenu spectral de ces fluctuations est donc comparé entre les jets. Ensuite, les champs de pression obtenus avec des écoulements de base moyens et des écoulements de base turbulents, ainsi que la différence entre eux, sont présentés. Leurs directivités sont également discutées, ainsi que les spectres du champ acoustique. Les spectres sont caractérisés par une tonalité centrale à la fréquence de la source et deux lobes latéraux. Ils sont symétriques pour des nombres de Mach élevés. La position des lobes latéraux se rapproche du ton central et leurs niveaux augmentent avec la température du jet pour des jets à nombre de Mach constant, ce qui peut s'expliquer par les changements subis par les fluctuations de la turbulence.

This study is consecrated to the scattering of acoustic waves by isolated vortices and turbulent jet shear layers. When the acoustic waves pass through a volume of turbulence, the fluctuations in the turbulence change the propagation direction of the waves. In addition, if the turbulence evolves in time, there is also a change in the sound spectral content, causing spectral broadening. In order to better understand these phenomena, a series of numerical analyses have been carried out. For this purpose, a code provided by Siemens has been used where the Linearised Euler Equations are solved by the Discontinuous Galerkin method. It simulates the acoustic wave propagation over a base flow defined by the user. To take into account the spectral broadening, the code has been modified to be able to interpolate time-dependent external data in time and space onto the base flow. The interpolation has been tested by different convergence studies of the pressure field scattered by a 2-dimensional mixing layer. Other features have been also implemented to cope with the numerical instability waves caused by the inhomogeneity of the base flow. Initially, the scattering of acoustic waves caused by an isolated Kirchhoff elliptic vortex is investigated. When the vortex is fixed in space, the study focuses on the effects of the ellipticity, the orientation of the vortex regarding the direction of propagation of the incident acoustic wave, the tangential velocity of the vortex and its size regarding the acoustic waves. The scattering has been investigated also when the vortex is convected. Special attention has been devoted to its ellipticity and the velocity convection. The results show that the ellipticity and especially the orientation of the vortex play a key role in the scattering. Finally, the study of the scattering of sound by turbulent jet shear layers is conducted, where the acoustic source is located at the jet axis. For that, the data interpolated in the base flow of the DGM code belong to an external database of round jets simulated by LES. These jets have Mach numbers varying between 0.3 and 1.3, and their temperature is 1, 1.5 or 2.25 times the ambience temperature. These parameters modify the properties of the turbulent fluctuations. Therefore, the spectral content of these fluctuations is compared between the jets. After that, the pressure fields obtained with mean base flows and turbulent base flows, and the difference between them are presented. Their directivities are also discussed, as well as the spectra of the acoustic field. The spectra are characterized by a central tone at the source frequency and two lateral lobes. They are symmetric for high Mach numbers. The position of the lateral lobes shifts closer to the central tone and their levels increase with the jet temperature for jets with constant Mach number, which can be explained by the changes undergone by the turbulence fluctuations.