Calcul direct du son rayonné par une couche de mélange en développement spatial : étude des effets du nombre de Mach et de l'anisothermie
par Carlos Anissem Soares Moser
Thèse de doctorat en Acoustique et dynamique des écoulements instationnaires
Sous la direction de Yves Gervais et de Éric Lamballais.
Soutenue en 2006
à Poitiers , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et aéronautique (Poitiers ; 1992-2008) , en partenariat avec École nationale supérieure d'ingénieurs (Poitiers) (autre partenaire) .
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Résumé
Dans ce travail, une méthodologie numérique a été développée afin d’obtenir avec précision le calcul direct du son rayonné par une couche de mélange bidimensionnelle compressible en développement spatial. Une description fine des mécanismes d’émission de bruit par l’écoulement est assurée par l’utilisation de schémas aux différences finies compacts de haute précision pour la discrétisation spatiale et par un schéma de Runge-Kutta du quatrième ordre pour l’intégration temporelle. Une formulation basée sur les caractéristiques est utilisée pour résoudre par simulation numérique directe (SND) les équations de Navier-Stokes compressibles ainsi que pour prescrire les conditions initiales et aux limites couplées avec un traitement par zone tampon. L’objectif principal est d’analyser les effets du nombre de Mach et thermique sur les mécanismes de génération et de propagation sonore de couches de mélange iso- et anisothermes pour un nombre de Reynolds de 400 et une gamme de nombre de Mach variant de 0,2 à 0,4. La valeur modérée des nombres de Mach considérés nous permet de maintenir pratiquement constantes les caractéristiques dynamiques de l’écoulement qui constituent la source sonore. Malgré cela, des changements considérables sont observés sur les champs acoustiques associés. Un caractère superdirectif de la radiation sonore est mis en évidence pour les couches de mélange les plus rapides. Les influences combinées du nombre de Mach et de la température sont identifiées à partir des résultats issus des simulations de couche de mélange anisothermes.
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Titre traduit
Direct computation of the sound radiated by spatially evolving mixing layers : study of Mach number and thermal effects
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Résumé
In the present work has been developed a numerical methodology to accurately perform the direct computation of the sound radiated by spatially evolving two-dimensional compressible mixing layers. An improved representation of the flow noise mechanisms is provided by the use ofhigh-order-accurate compact finite difference schemes for the spatial discretization and the fourth-order Runge-Kutta scheme for the time integration. A characteristic-based formulation is used to solve by direct numerical simulation (DNS) the fully compressible Navier-Stokes equations and a conceptual model based on the characteristic analysis is used to prescribe initial and boundary conditions along with buffer zone treatments. The main focus is the analysis of Mach number and thermal effects on the mechanisms of sound generation and propagation by harmonically excited isothermal and non-isothermal mixing layers, at Reynolds number 400 and Mach number ranging from 0. 200 to 0. 400. The low Mach numbers allow us to keep almost the same flow dynamics features (sound sources). However, considerable changes are observed in the acoustic field patterns. The superdirective character on sound radiation is recognized at the higher speed mixing layers. The reciprocal influence of Mach number and thermal effects on the flow noise mechanisms is identified in non-isothermal mixing layers.
