Simulations aéro- et hydroacoustiques de profils d'aile ou de pale d'hélice : prédiction du bruit de bord de fuite et du bruit d'interaction

par Tommy Rigall

Projet de thèse en Acoustique

Sous la direction de Philippe Lafon et de Benjamin COTTé.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne) , en partenariat avec IMSIA - Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles (laboratoire) , Dynamique des structures et des fluides et acoustique (equipe de recherche) et de École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau, Essonne) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 02-10-2017 .


  • Résumé

    Le bruit rayonné par les hélices marines peut être divisé en plusieurs catégories selon les phénomènes physiques impliqués. Le bruit lié à la cavitation, tout d'abord, est généralement dominant, mais des efforts importants ont été accomplis pour le réduire, ce qui rend cruciale la modélisation des autres sources de bruit. Celles-ci peuvent être divisées entre les composantes tonales, aux multiples de la fréquence de passage des pales, et les composantes large bande, comme le bruit de bord de fuite et le bruit d'interaction avec la turbulence amont. Ces composantes large bande ont été assez peu étudiées pour les applications maritimes, et demandent à être mieux comprises et modélisées. Il existe en revanche une large littérature sur le bruit large bande rayonné par des profils d'aile dans l'air, que ce soit par des approches expérimentales, théoriques ou numériques. Au sein de l'IMSIA, des modèles du bruit de bord de fuite et du bruit d'impact de turbulence, basés sur la théorie d'Amiet, ont été proposés, dans le contexte du bruit rayonné par les éoliennes. D'autre part, un outil de simulation aéroacoustique directe appelé Code_Safari a été développé par EDF R&D depuis une dizaine d'années. Ce code résout les équations de Navier-Stokes compressibles (LES compressible par exemple) avec des schémas de résolution d'ordre élevé, ce qui permet de calculer à la fois les champs aéro- ou hydrodynamiques et les champs de pression acoustique associés. Un deuxième outil, également développé par EDF R&D, appelé Code_Saturne, fonctionne par volumes finis et permet de résoudre, dans un temps plus court, les écoulements incompressibles par approche RANS ou LES. Il y a donc un fort intérêt à mener des études aéro- et hydroacoustiques en parallèle, afin de mieux comprendre les différences entre les configurations en air et en eau et interpréter les phénomènes physiques en présence. De par les spécificités des configurations hydroacoustiques (faible nombre de Mach), le rayonnement acoustique des hélices marines peut être de nature différente de celui des profils d'aile en air. Ainsi, Ianniello et De Bernardis ont montré récemment à l'aide d'un modèle basé sur l'équation de Ffowcs Williams-Hawkings que les termes non-linéaires de volume, liés aux champs de turbulence et de vorticité, sont dominants en champ lointain, contrairement à ce qui est communément observé à bas nombre de Mach en aéroacoustique. Ensuite, une contribution significative au bruit généré par les turbomachines telles que les éoliennes est celle du décrochage dynamique. Ce phénomène a été expérimentalement et numériquement étudié par l'Université Technique du Danemark mais les mécanismes à l'origine du bruit de décrochage dynamique sont encore incompris. Il a été montré qu'il s'agit d'un bruit modulé en amplitude, pouvant perturber le sommeil des riverains aux alentours. L'étude de ce bruit est également un axe à suivre dans cette thèse. Finalement, développer un modèle basé sur une analogie acoustique permettant de calculer les différentes contributions du bruit en eau et en air est également dans le programme de la thèse afin de prédire rapidement les champs acoustiques dans différentes configurations, sans passer par de coûteuses simulations compressibles. Cela permettrait notamment d'étendre la gamme d'écoulements résolue par Code_Safari, limité aux faible nombres de Reynolds et aux relativement hauts nombres de Mach.

  • Titre traduit

    Aero- and hydroacoustic simulations of wing or propeller blade profiles : trailing edge noise and interaction noise forecast


  • Résumé

    The noise radiated by the marine propellers can be divided into several categories according to the implied physical phenomena. First of all, the noise related to the cavitation is generally dominant but important efforts have been done to reduce it, which makes the modeling of other noise sources essential. These noises can be divided into the tonal components, the multiples of the blade passing frequency, and the broadband components, such as the trailing edge noise and the noise of turbulence interaction. Only few studies were carried out on these broadband components for maritime applications, so a better understanding and modeling of these is required. However, much work has been done on the broadband noise radiated by wing profiles in the air, be it experimentally, numerically or theorically. In the IMSIA (Institute of Mechanical Science and Industrial Applications), some models of the trailing edge noise and of the interaction noise, based on the Amiet theory, have been proposed in the context of the noise radiated by the wind turbines. Moreover, a tool dedicated to direct aeroacoustics simulations called Code_Safari, has been developped by EDF R&D for 10 years. This code solves the compressible Navier-Stokes equations (Compressible LES for instance) with high order resolution schemes, which enables to calculate simultaneously the aero- or hydrodynamic fields and the acoustic pressure fields associated. A second tool, called Code_Saturne, works with finite volumes and enables to solve the incompressible flow by a RANS or a LES approach in a shorter time. There is such a strong interest to lead simultaneously aero- and hydrodynamic studies, in order to better understand the differences between air and water configurations and to interpret the physical phenomena. Because of the specifics of the hydroacoustic configurations (low Mach number), the marine propeller acoustics radiation can be of different nature compared to the one radiated by a profile in the air. Thus, Ianniello and De Bernardis have recently shown, thanks to a Ffowcs Williams-Hawkings based model, that the volumic non-linear terms, related to the turbulent and vorticity fields, are dominant in the far-field, unlike what is generally observed at low Mach number in aeroacoustics. Then, a significative contribution to the noise generated by turbomachines such as wind turbines is the one of the dynamic stall. This phenomenon has been experimentally and numerically studied by the Technical University of Denmark but the mecanisms at the origin of the dynamic stall noise are still not understood. It has been demonstrated that it is an amplitude modulated noise and that it may disturbe the resident sleep. This noise study is also a guideline in this thesis. Finally, developping a model based on a acoustical analogy enabling to calculate the different noise contributions in the water and in the air is also in the thesis programm to be able to forecast rapidly the acoustic fields in different configurations without needing expensive compressible simulations. It will enable us to stretch the flow range solved by Code_Safari, which is limited to the low Reynolds number and to relatively high Mach numbers.