Etude du bruit généré par les structures cohérentes de la turbulence

par Leonardo Rigo

Projet de thèse en Acoustique

Sous la direction de Xavier Gloerfelt et de Damien Biau.

Thèses en préparation à Paris, HESAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec DynFluid - Laboratoire de dynamique des fluides (laboratoire) et de École nationale supérieure d'arts et métiers (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    Le bruit d'origine aérodynamique produit par les écoulements turbulents est un sujet de recherche actif. Les enjeux industriels sont importants, dans les domaines des transports notamment, où c'est à la fois un enjeu concurrentiel entre les constructeurs et un enjeu de confort pour les passagers et les riverains. De plus notre compréhension théorique du phénomène reste incomplète malgré des travaux de recherche conséquents depuis les premiers résultats de Lighthill en 1952. La difficulté majeure concerne le couplage fort entre l'écoulement, qui peut être une source de bruit, et les fluctuations acoustiques qui peuvent exciter, en retour, des instabilités hydrodynamiques. L'approche proposée dans cette thèse considère plus spécifiquement le rôle des structures cohérentes turbulentes dans la génération de bruit et réciproquement, comment une onde acoustique peut exciter certaines échelles de ces structures tourbillonnaires organisées. Une question sous-jacente, qui reste ouverte dans la communauté, concerne l'identification, ou même la définition, de ce qui est convenu d'appeler structures cohérentes. Cette question est essentielle ici dans la mesure où ce sont les interactions entre ces structures qui contribuent majoritairement au bruit rayonné. L'observation précise de ces deux phénomènes, la turbulence et l'acoustique, est particulièrement difficile, tant d'un point de vue numérique qu'expérimental et nécessite l'utilisation d'outils de haute précision. La méthode se base sur des simulations réalisées à l'aide d'un code hautes performances développé au laboratoire. Le cas d'étude sera l'écoulement dans une conduite à bas nombre de Reynolds et en régime subsonique. L'état turbulent est localisé en espace et s'organise en puff. On a ainsi un problème géométriquement simple mais qui garde toute sa complexité dynamique. Le premier axe de travail concerne la génération de bruit par la turbulence; on s'intéresse en particulier au couplage entre la pression pariétale et le bruit rayonné. En effet la pression pariétale constitue une empreinte des structures tourbillonnaires. Ensuite on abordera l'interaction entre la turbulence et un forçage acoustique. En traversant la zone turbulente, l'onde acoustique est advectée, réfractée, et éventuellement diffusée. L'analyse de ces déformations permettra alors de caractériser les structures tourbillonnaires (positions, tailles et intensités).

  • Titre traduit

    Study of noise generation by coherent turbulent structures


  • Résumé

    Aerodynamic noise generated by flow turbulence is widely spread in the transportation industry (aircraft, trains, ground vehicles, ships, submarines, etc.). The relative importance of this noise component has increased significantly over the years due to the development of quieter engines and drive trains. However our theoretical comprehension is still incomplete despite recent and consequent efforts since first results obtained by Lighthill in 1952. The main issue is the strong coupling between the turbulent structures, which are sources of noises generation, and the acoustic waves which act as feed-back and excite the hydrodynamic instabilities. This is connected to the fundamental question, that remains open for the community, about the identification and definition of the so-called coherent structures. This is a crucial issue in the present study since the interactions among coherent structures contribute mainly to the generated noise. These two phenomena, namely turbulence and acoustics, are difficult to describe either with numerical simulations or with experiments and require the use of high-accuracy methods. The aim of the work is to analyse the role of coherent turbulent structures in noise generation, using data from HPC simulations of wall-bounded turbulent flows. The DNS code already exists and have been developed and validated at the DynFluid laboratory. The considered flow will be a subsonic and low-Reynolds number duct flow. The turbulent state will be localised in space and organised, such as self-sustained puff. This problem is geometrically simple, while keeping its full dynamical complexity. The objectives are twofold : first analysing the noise generation by the localised coherent structures, then investigating the response of the turbulent state to acoustic forcing. In particular, the wall pressure will be considered since it constitutes an imprint of near-wall turbulent structures.