Modelling the vibrations generated by turbulent flows in ducts

par Florian Hugues

Thèse de doctorat en Acoustique et Vibrations : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (UMR-7337)

Sous la direction de Emmanuel Perrey-Debain et de Nicolas Dauchez.

Soutenue le 20-12-2018

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Modélisation des vibrations générées par des écoulements turbulents en conduits


  • Résumé

    La prédiction des vibrations induites par un écoulement est essentielle dans la conception des conduits de nombreuses installations industrielles, en particulier dans l’industrie du gaz. Notre étude concerne la prévision du bruit et la vibration des conduits soumis à un écoulement turbulent à faible nombre de Mach. Notre objectif est de présenter une étude numérique et expérimentale permettant aux ingénieurs de mieux comprendre le couplage entre l’excitation aléatoire et le conduit pour deux géométries (circulaire ou rectangulaire). Une approche expérimentale est développée et utilisée pour valider les prévisions numériques. Deux cas sont étudiés : (i) un conduit droit sans singularité, où les modes acoustiques du conduit sont excités par une couche limite turbulente (TBL) et (ii) un conduit droit avec un diaphragme inséré en amont qui génère une source acoustique localisée. La contribution acoustique est déterminée soit par des méthodes de mesure d’interspectres, soit à l’aide des outils de mécanique des fluides numérique (CFD) et d’analogies aéroacoustiques. La réponse de la structure est estimée par une approche dite de « couplage faible » qui utilise des fonctions de transfert modale d’un conduit fini simplement appuyé. Les mesures conduiront à évaluer et suggérer des améliorations de modèles empiriques existants de densité interspectrale de puissance (CPSD) dans un contexte d’écoulements internes turbulents. Une analyse modale expérimentale d’un conduit rectangulaire finie est confrontée à des méthodes de calcul pour évaluer l’effet des conditions aux limites, du rayonnement acoustique et de l’amortissement aérodynamique. Le couplage fluide structure est analysé par la fonction de « joint acceptance » à la fois dans le domaine spatial et dans le domaine des nombres d’onde. L’excitation comprend à la fois les contributions acoustiques et hydrodynamiques à l’aide des CPSD exprimées sur la base des fonctions de cohérence de type Corcos, champ diffus et modes acoustiques d’ordre élevé. Enfin, les études numériques et expérimentales de cette thèse ont été utilisées pour développer un cadre d’étude et de modélisation du bruit et des vibrations dans les conduites, qui relie la dynamique des fluides, les modèles analytiques et empiriques à des techniques efficaces d’analyse aléatoire.


  • Résumé

    Pipeline and duct vibrations can cause a range of issues from unplanned shutdownsto decreased equipment life time. Thus, the prediction of flow-induced vibrations is essential in piping design in many industrial plants, especially, for Gas industry. This study deals with the prediction of pipe flow noise and vibration at low Mach number. We aim to present a numerical and experimental study which can offer engineers a better understanding of the coupling between random excitation and duct section for two geometries (circular or rectangular). An experimental facility and measurement approach is developed and used to validate numerical predictions. Two cases are investigated: (i) a straight duct with no singularity, duct acoustic modes are excited by the Turbulent Boundary Layer (TBL) and (ii) a straight duct with a diaphragm inserted upstream generating a localized acoustic source. The acoustic contribution is either measured via cross-spectra based methods or calculated using Computational Fluid Dynamics (CFD) and aeroacoustic analogies. The response of the structure is estimated via a ‘blocked’ approach using analytical modal Frequency Response Functions (FRFs) of a simply supported finite duct. Measurements will lead to evaluate and suggest improvements to existing Cross Power Spectral Density (CPSD) empirical models in a context of internal turbulent flows. Experimental modalanalysis of a finite rectangular duct are confronted to computational methods to assess the effect of the Boundary Conditions (BCs), the resistive damping from coupling with the internal acoustic medium and aerodynamic damping. The fluid-structure coupling is analyzed through the joint acceptance function both in the spatial and wave number domain. The excitation includes both the acoustic and hydrodynamic contributions using CPSD written on the basis of Corcos, Diffuse Acoustic Field (DAF) and acoustic duct mode coherence functions. Finally, the numerical and experimental studies in this thesis were used to develop a framework for studying and modelling pipe flow noise and vibration which links CFD, analytical and empirical models to efficient random analysis techniques.


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