Développement d'une méthode de mesure de la masse volumique par diffusion Rayleigh appliquée à l'étude du bruit de jets, et contribution à l'étude du screech dans les jets supersoniques sous détendus

Development of a Rayleigh scattering based method for density measurements in jets, and experimental diagnosis of the screech feedback loop in under-expanded jets

• Auteur / Autrice : Bertrand Mercier
• Direction : Christophe Bailly, Thomas Castelain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 06/12/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône) - Laboratoire de Mecanique des Fluides et d'Acoustique
• Jury : Président / Présidente : Yves Gervais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Bailly, Thomas Castelain, Estelle Piot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jayanta Panda, Daniel Edgington-Mitchell

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéroacoustique

Aérodynamique supersonique

Mots clés libres

Bruit de jet

Shot noise

Résumé

Dans ce travail de recherche, on présente des développements spécifiques de diagnostiques optiques et leur application à l’étude aéroacoustique des jets rapides à haut nombre de Reynolds. Les résultats expérimentaux présentés ici résultent de visualisation par strioscopie et, de manière prépondérante dans ce manuscrit, de mesure de masse volumique par diffusion Rayleigh. Ces méthodes de caractérisation d’écoulement, appliquées aux jets subsoniques ou supersoniques, ont été associées à des mesures de bruit en champ lointain. La mesure par diffusion Rayleigh, qui repose sur la lumière diffusée par les molécules constituantes du gaz, et n’est donc pas intrusive. Des difficultés apparaissent néanmoins pour exploiter les résultats lorsque le milieu diffusant contient des poussières. Bien que l’air des écoulements obtenu en soufflerie soit filtré, la quantité résiduelle de poussières a rendu nécessaire le développement d’une méthode de nettoyage du signal en post-traitement. Le niveau des signaux obtenus par diffusion Rayleigh est très faible, et dominé par du bruit appelé shot noise. Un gain significatif sur le niveau de ce bruit a été obtenu en optimisant la chaîne d’acquisition après analyse des systèmes existants. De plus une méthode de traitement du signal dérivée d’une méthode existante a permis de calculer des spectres de masse volumique malgré le shot noise avec un seul capteur, là où il en fallait deux auparavant. Les profils de p obtenus par cette technique ont montré qu’il existe une loi de similarité permettant de superposer les profils mesurés à différentes positions axiales. Cette loi est identique pour les jets issus de trois tuyères aux géométries différentes, et à des nombres de Mach de 0.7 et 0.9. Une loi de similarité est également observée pour p’rms si les profils sont mesurés suffisamment loin de la tuyère. L’étude des spectres dans la couche de mélange a mis en évidence un maximum faiblement marqué autour d’une fréquence centrale comprise entre St = 0:2 et St = 2 dans les régions mesurées, plus marqué que dans les spectres de vitesse, et dont le comportement diffère selon l’état initialement laminaire ou turbulent du jet. L’évolution de la forme des spectres en fonction de la différence de masse volumique entre le jet et le milieu ambiant, ainsi qu’en fonction du nombre de Mach, a également été étudiée. Une loi permettant de superposer les spectres a été définie empiriquement sur la plage de variation des différents paramètres. Des mesures simultanées entre l’acoustique en champ lointain et la masse volumique dans l’écoulement ont été réalisées pour un jet à Mj = 0:9 et un jet à Mj = 1:32. Ces résultats ont permis l’estimation de cohérences spectrales et de moyennes conditionnelles. Les résultats obtenus mettent en évidence la présence de structures liées au rayonnement acoustique dans une région située proche de l’axe du jet en aval du cône potentiel. Pour finir, une étude a été réalisée sur le screech dans les jets supersoniques sous-détendus. Elle a permis d’identifier la position de la source de la rétroaction acoustique pour les modes A1, A2, et B, ainsi que la structure du cycle de la boucle qui détermine les changements de fréquences observés aux sauts de modes.

In this research study, developments of optical diagnosis techniques are presented, and are put into practice in an aeroacoustics study of high speed and high Reynolds jets. The results described here are obtained from Schlieren visualization, and in the majority from density measurements through Rayleigh scattering. These measurement methods are applied for subsonic and supersonic jets, and associated with far field acoustics measurements. Rayleigh scattering measurements rely on laser light scattered by the molecules constituting the flow, thus they are non-intrusive. However, some difficulties in interpreting the results arise when the flow contains dust particles. This problem is partly solved by using air filters in the wind tunnel, but some residual dust particles remain, thus a software based signal cleaning method has been developed and is applied to the signals during post-processing. Besides, the signals obtained from Rayleigh scattering are very weak, and dominated by a shot noise. The noise level has been significantly reduced following the optimization of the chain of acquisition in comparison with actual apparatus. Moreover, a method to compute spectra despite the shot noise level has been adapted from a classic method to be usable with a single sensor instead of two. The analysis of radial profiles of density measured with the Rayleigh scattering apparatus shows that a similarity law allows to superimpose radial profiles measured in jets exhausted from three different nozzles at Mach 0.9 and Mach 0.7. Another similarity law is observed for radial profiles of 0 rms when they are measured far enough form the nozzle. The analysis of density spectra in the mixing layer points out the presence of a local maximum of central frequency found between St = 0:2 and St = 2 depending on the probed location, which is not as clearly observed in velocity spectra. The spatial evolution of this maximum is found different whether the flow is initially laminar or turbulent at the nozzle exit. The dependence of spectra to the Mach number, and to the difference of density between the jet and the surrounding is also studied. A scaling law is empirically determined for the scope of the study. Simultaneous measurements of density and farfield acoustic acquired in a Mach 0.9, and a supersonic ideally expanded Mach 1.32 jets are processed to obtain coherence, and conditional averaging. The results emphasis the role of large structures downstream the end of the potential core in acoustic radiations. Finally, the screech in underexpended jets is studied. This work results in the identification of the acoustic feedback source location for A1, A2 and B modes, and in the characterization of the changes in the loop structure associated with mode switching.