Vers une méthode hybride de calcul aéroacoustique appliquée à des écoulements confinés

• Auteur / Autrice : Mélanie Piellard
• Direction : Christophe Bailly
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lighthill, James (1924-1998)

Bruit aérodynamique

Éléments finis, Méthode des

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Résumé

Ce travail de thèse concerne le développement d une méthode de calcul du bruit aéroacoustique pour des applications industrielles. Les contraintes liées à ce contexte imposent de choisir une méthode hybride basée sur l’utilisation de codes de calcul commerciaux, adaptée aux écoulements turbulents basse vitesse. Cette approche repose sur l’analogie de Lighthill, et son application fait intervenir deux étapes. Dans la première, l’écoulement turbulent instationnaire est calculé et permet de déterminer les termes sources acoustiques, lesquels sont ensuite propagés dans une seconde étape afin d’obtenir le champ acoustique rayonné. L’implémentation choisie, à savoir le couplage entre les codes Fluent (CFD) et Actran/LA (acoustique) dans une formulation variationnelle, est particulièrement bien adaptée pour l’industrie puisque la complexité des géométries est facilement prise en compte dans les méthodes aux volumes finis (Fluent) et éléments finis (Actran/LA). On considère plusieurs configurations académiques. Le rayonnement acoustique de deux tourbillons corotatifs avec et sans écoulement moyen est d’abord étudié pour valider la méthode; en particulier, on souhaite démontrer la nécessité de prendre en compte l’écoulement moyen local dans le calcul du terme source. Pour ce faire, une simulation numérique directe (DNS) est effectuée avec Fluent pour obtenir une solution de référence, ce qui met en évidence la nature de quadrupôle tournant de la source acoustique. La méthode hybride est ensuite mise en oeuvre avec succès: les termes sources sont calculés à partir des champs de vitesse obtenus dans le calcul DNS, puis ils sont propagés en champ lointain dans le domaine spectral avec Actran/LA. Une deuxième vérification, complémentaire à la comparaison au calcul direct, consiste à résoudre de manière analytique l’équation de Lighthill en utilisant le tenseur de Lighthill calculé par DNS. On retrouve par ailleurs que la présence d’un écoulement moyen à la fois dans les zones de propagation acoustique et de sources a seulement une influence sur la réfraction des ondes acoustiques; en revanche, il n’est pas nécessaire d’en tenir compte dans la détermination du terme source. La deuxième étude académique porte sur la gestion de la sortie de structures turbulentes du domaine de calcul. Ceci produit un rayonnement dipolaire parasite, d’origine purement numérique, et dont les niveaux sont suffisamment élevés pour perturber la solution. On choisit ici de modéliser le problème par la convection d’un tourbillon parfait à travers une frontière fictive. Divers filtres spatiaux sont testés pour ramener les termes sources à zéro à la traversée de la frontière; le réglage optimal de ces filtres dépend de la taille de la structure à dissiper ainsi que de sa vitesse de convection. Enfin, une application réelle est considérée, le diaphragme en conduit à faible nombre de Mach. Une première simulation des grandes échelles (LES) est effectuée sur un modèle réduit de la géométrie puisque l’envergure est tronquée à 10% de sa valeur totale. Malgré les limitations de cette approche, en particulier du fait que la trop petite extension du domaine selon l’envergure empêche un développement tridimensionnel correct de la turbulence, le calcul acoustique bidimensionnel associé produit des résultats consistants. Le modèle 3D complet est ensuite étudié, avec, de la même manière, une LES qui met en évidence des caractéristiques aérodynamiques cette fois tout à fait conformes à la DNS de référence. Une décimation des termes sources par interpolation spatiale est nécessaire pour réduire la taille du modèle acoustique 3D; les résultats après propagation souffrent donc de cette approximation qui nécessite une plus ample validation.

This PhD work deals with the development of a Computational Aeroacoustics (CAA) method for industrial applications. The constraints linked to this context impose the choice of a hybrid method based on the use of commercial computing codes adapted to turbulent low velocity flows. This approach is based on Lighthill’s Acoustic Analogy, and its application involves two steps. In the first step, the unsteady turbulent flow is computed to determine acoustic source terms, the latter being then propagated in a second step to produce the radiated acoustic field. The implementation is a variational formulation of Lighthill’s Acoustic Analogy with the coupling of Fluent CFD code and Actran/LA acoustic code. It is well adapted to the industry since complex geometries are easily handled in both finite volumes (Fluent) and finite elements (Actran/LA) methods. Two academic configurations are considered. The acoustic radiation produced by two corotating vortices with and without mean flow is first studied for validation. In particular, the goal is to show the necessity to take the local mean flow field into account when computing the source term. A Direct Numerical Simulation (DNS) is therefore performed within Fluent to yield a reference solution; this also reveals the rotating quadrupole nature of the acoustic source. The hybrid method is then applied with success: the source terms are computed from the velocity fields of the DNS, and then propagated to the far field in the spectral domain within Actran/LA. A second verification, in addition to the comparison with DNS results, consists in the analytical resolution of Lighthill’s equation using the Lighthill’s tensor obtained from the DNS. Another important conclusion of this study is that the presence of a mean flow field in both the propagation and source regions only acts on the acoustic waves refraction; however, it is not required to account for it in the source term determination. The second academic study concerns the handling of outgoing turbulent structures from the computing domain. These indeed produce a spurious dipolar acoustic radiation, of numeric nature purely, and with levels high enough to perturb the whole solution. This issue is modeled here with the convection of a perfect vortex through a virtual boundary. Several spatial filters are tested to smooth source terms down to zero at the boundary; the optimal filter tuning depends on the size and convection velocity of the structures to be dissipated. Finally, a real application is considered, the ducted diaphragm at low Mach number. A first Large Eddy Simulation (LES) is performed on a reduced geometry consisting of 10% of the total span. In spite of the model limitations, mainly due to the span reduction preventing a correct three-dimensional development of turbulence, the associated twodimensional acoustic computation yields consistent results. The full scale 3D flow field is then studied, with similarly a LES in which aerodynamic features conform well with the reference DNS. In order to reduce the acoustic model size, source terms are decimated through spatial interpolation. After propagation, the acoustic results suffer from this approximation that would require a more thorough validation.