Le bruit est une source importante de problème et de désagrément au sein des habitations. Pouvant provenir de nombreux systèmes au sein d’un même habitat, les hottes de cuisine en sont un bon exemple. Les utilisateurs n’hésitant plus maintenant à ne plus s’en servir à leur détriment, le code du bâtiment exige des systèmes de plus en plus silencieux pour contrer cet effet. Né d’un partenariat entre la société VENMAR Ventilation Inc et le Groupe d’Acoustique de l’Université de Sherbrooke, le but de ce projet est de réduire au maximum le transmis hors de la hotte en se focalisant sur la grille de filtration. L’isolation acoustique sera réalisée via l’utilisation des méta-matériaux pour leurs propriétés hors du commun. Pour obtenir un prototype fonctionnel, optimisable et adaptable, des modélisations numériques et analytiques validées par l’expérience ont été mises au point afin de mieux comprendre les mécanismes régissant ce type de matériaux.

Cette thèse traite du problème industriel de la modélisation et de<br />la simulation numérique du rayonnement acoustique à l'entrée d'air des nacelles<br />d'Airbus. Les hypothèses physiques subséquentes au contexte industriel<br />précis conduisent à un modèle simplifié de propagation acoustique linéaire sur<br />un écoulement porteur potentiel et non-linéaire. La modélisation de la source<br />modale de bruit du moteur se traduit par une condition de bord exprimée par<br />un opérateur Dirichlet-Neumann. L'existence et l'unicité du problème mathématique<br />général (auquel on a rajouté une condition de Sommerfeld convectée)<br />de la perturbation potentielle et locale autour d'un écoulement uniforme sont<br />démontrées. Un couplage discret alliant le potentiel acoustique (éléments finis<br />de volume) et sa dérivée conormale de bord (éléments finis de frontière) par une<br />équation intégrale est proposé. Le code informatique est validé analytiquement<br />et comparativement. Les résultats originaux prouvent la nécessité de la prise en<br />compte des non-linéarités de l'écoulement par des différences de plus de 5 décibels<br />en champ lointain. Le positionnement optimal de la surface rayonnante et<br />la possibilité d'adaptation de la méthode multipôle rapide rendent ce couplage<br />incontournable. Le modèle simplifié potentiel-linéaire, même si il n'est a priori<br />apte qu'à traiter l'entrée d'air, trouve toute sa justification en tant que brique<br />d'un code global basé sur la décomposition de domaine. Finalement, soulignons<br />l'avènement d'un élément fini axisymétrique naturel et d'une alternative originale<br />de calcul de l'écoulement non-linéaire par une méthode de point fixe.

La stabilité linéaire des jets axisymétriques est étudiée dans un contexte global, c'est à dire en prenant en compte sans approximation la géométrie et le non-parallélisme de l'écoulement. Afin de caractériser le "mode préféré" du jet observé expérimentalement et numériquement, différentes analyses ont été mises en oeuvre. Une conjecture étant que ces structures à une résonance entre des perturbations extérieures et le mode propre le moins atténué, une analyse modale de l'écoulement a tout d'abord été effectuée. Cette étude a demandé la mise au point d'une méthode numérique spécifique pour pouvoir traiter les écoulements compressibles de manière efficace. Cependant, les résultats ont montré qu'une représentation modale n'est pas adaptée pour décrire la dynamique des écoulements stable dominés par l'advection. Des modèles simplifiés permettant de mieux comprendre les limites de cette approche sont présentés. Cette dynamique peut cependant être caractérisée par le calcul des perturbations optimales et du forçage harmonique optimal. Cette dernière approche reproduit de manière robuste les observations expérimentales concernant la fréquence et la structure spatiale du "mode préféré". La structure de ce paquet d'onde global est interprétée comme provenant de la coopération entre différentes familles de modes locaux. L'analyse présentée dans cette thèse montre que le "mode préféré" du jet ne vient pas de la résonance d'un mode propre, mais qu'il s'agit en fait d'une pseudo-résonance.

Les moteurs à propergol solide sont parfois le siège d'instabilités aéroacoustiques résultant d'un couplage entre l'hydrodynamique des gaz brûlés et les modes acoustiques de la chambre de combustion. Ces instabilités se traduisent par de fortes Oscillations de Pression (ODP) dans la chambre de combustion du moteur. Ces ODP entrainent des vibrations de la structure, qui si elles venaient à dépasser certains niveaux pourraient nuire à la charge utile. Au vu du coût d'un essai, il est important de disposer d'outils permettant de prédire l'apparition de ces instabilités au moment de la conception. L'objectif de cette thèse est en premier lieu la mise au point d'une chaîne de couplage permettant d'évaluer l'impact des interactions fluide-structure sur l'amplitude des oscillations aéroacoustiques présentes au sein du propulseur. Une attention particulière est portée à l'algorithme de couplage entre les solveurs fluide et solide afin d'assurer une bonne conservation de l'énergie à l'interface fluide-structure, point clé dans l'étude d'instabilités. La chaîne numérique ainsi conçue est appliquée à une configuration réduite du moteur à propergol solide d'Ariane 5 dans le cadre de deux études. La première porte sur l'impact des vibrations de la structure sur les d'instabilités aéroacoustiques. L'effet d'un croisement de fréquences des modes propres longitudinaux de la structure et un des modes acoustiques de la chambre de combustion est traité. La seconde étude s'intéresse à l'effet des battements des protections thermiques du propulseur dans l'écoulement. Une structuration de l'écoulement et un net renforcement des ODP sont mis en évidence. / Large solid propellant rocket motors may be subjected to aero-acoustic instabilities arising from a coupling between the burnt gas flow and the acoustic eigenmodes of the combustion chamber. These instabilities lead to large pressure oscillations in the combustion chamber. These pressure oscillations cause vibrations which might jeopardize the payload if they happen to be larger than a certain threshold. Given the size and cost of any single firing test or launch, it is of first importance to rely on numerical tools able to predict these instabilities so that they can be avoided at the design level. The first purpose of this thesis is to build a numerical tool in order to evaluate how the coupling of the fluid flow and the whole structure of the motor influences the amplitude of the aeroacoustic oscillations living inside the rocket. A particular attention was paid to the coupling algorithm between the fluid and the solid solvers in order to ensure the best energy conservation through the interface.The numerical chain is applied to a sub-scaled configuration of Ariane 5 solid rocket motor in two studies. The first relates to the impact of vibration of the structure on aeroacoustic instabilities. The effect of a crossover frequency between the longitudinal modes of the structure and the acoustic modes of the combustion chamber is assessed. The second study examines the effect of thermal protection oscillations in the flow. An increased of the flow organisation and a significant strengthening of pressure oscillations are highlighted.

Le bruit émis par les nouvelles architectures de moteurs aéronautiques a été considérablement réduit dans les dernières années. Les différentes sources de bruit ont été identifiées et pour la plupart réduites. Cependant, la contribution relative du bruit de combustion au bruit global a augmenté progressivement avec la décroissance des autres sources. Deux mécanismes de génération de bruit de combustion ont été identifiés : le bruit direct qui est produit par des fluctuations du dégagement de chaleur dû à la combustion, et le bruit indirect qui est généré par l’accélération des spots d’entropie. Dans ce travail, les mécanismes de génération et propagation du bruit entropique sont étudiés par des simulations numériques aux grandes échelles (en anglais LES) et par des modèles analytiques. Dans un premier temps, une configuration simplifiée du phénomène est étudiée : des spots d’entropie sont créés par des résistances chauffantes et ensuite accélérés par une tuyère pour générer du bruit indirect. Cette configuration a été simulée et ses résultats validés par des campagnes expérimentales. Ensuite, la simulation numérique est utilisée pour mieux comprendre les mécanismes de génération du bruit indirect et ses interactions avec des effets visqueux et non visqueux. Dans une seconde partie, une configuration de turbine haute pression à un seul étage est utilisée pour étudier le bruit indirect d’une façon plus réaliste. Dans les deux parties de cette thèse, les résultats numériques sont comparés à des théories analytiques pour mieux comprendre les avantages et inconvénients d’une méthode par rapport à l’autre. / Combustion noise is increasing its relative contribution to aircraft noise, while other sources are being reduced and new low-NOx emission combustion chambers being built. Two mechanisms are responsible for this noise source: direct noise in which acoustic waves are generated by the flame and propagate to the outlet of the aero-engine, and indirect noise, where entropy waves generate noise as they are accelerated and decelerated in the turbine stages. In this work, the analytical models used for the propagation of waves through non-homogeneous flows, including the generation of indirect noise, are revised and extended. In the first part, the quasi-1D case is studied, extending the analytical method to non-zero frequencies and validating the results with numerical methods and experimental data. In the second part, the 2D method for the case of compact turbine blades is studied and validated using numerical simulations of a rotating blade and of a complete turbine stage. Finally, in the third part of this thesis, these models are combined with reactive and compressible Large Eddy Simulations (LES) of combustion chambers to build a hybrid approach, named CHORUS, able to predict combustion noise.

Résumé : La réduction du bruit tonal des ventilateurs basse vitesse est un défi très important pour l’industrie. Lorsqu’il émerge du bruit large bande, ce rayonnement est la source de gênes auprès de la population, que ce soit pour de petits ventilateurs d’ordinateurs ou de gros ventilateur miniers. Afin de contrôler le bruit tonal, de nombreuses techniques ont été développées au fil de ces dernières décennies. Une méthode alliant simplicité et efficacité se démarque néanmoins : le contrôle par obstruction de l’écoulement. Malgré les études menées jusqu’alors, les mécanismes aéroacoustiques de réduction du bruit associés à cette méthode restent mal compris. Pour répondre à cette problématique, ce projet de Doctorat s’intéresse à l’étude de l’intéraction entre l’obstruction et le ventilateur au moyen de simulations aéro-acoustiques. De plus, une méthodologie numérique de design de l’obstruction est proposée afin de réduire les coûts associés aux multiples test expérimentaux. / Abstract : Tonal noise radiated by low-speed fans is a prime challenge for many industries. When this component emerges from the broadband noise, the acoustic radiation is particularly harsh for the human ear, whether it comes from a small computer cooling fan or from a large mine ventilation fan. Several methods have been developed over the last decades to control tonal noise. Nevertheless, one simple and efficient technique stands out: the adaptive passive control with flow obstruction. Despite all the research conducted on this method, the aeroacoustic mechanisms responsible for the noise reduction are not fully understood. Therefore, the present thesis aims at investing the obstruction-fan interaction using aeroacoustic simulations. Moreover, a numerical design methodology is proposed to reduce the cost induced by extensive experimental tests.

Lors des mesures acoustiques dans les souffleries à veine ouverte, les ondes acoustiques émises par une maquette ou une source située dans la veine se propagent dans la couche de cisaillement turbulente qui se forme aux abords du jet avant d’être reçues par les microphones localisés en dehors. L’onde acoustique interagit avec le champ de vitesse turbulent de la couche de mélange ce qui a pour effet de modifier son contenu spectral, de redistribuer spatialement son énergie et de moduler sa phase et son amplitude, on parle alors de diffusion acoustique. Cette thèse a consisté à l’étude de la diffusion d’une onde acoustique par une couche de cisaillement turbulente à l’aide d’une simulation numérique aux grandes échelles. Pour cela, il a d’abord été nécessaire de réaliser la simulation numérique aux grandes échelles d’une couche de cisaillement turbulente plane dans son régime auto-similaire. Dans un second temps, nous avons simulé l’interaction entre une onde acoustique et l’écoulement turbulent afin d’étudier les caractéristiques du champ de pression diffusé qui en résulte. Nous avons notamment vérifié que la simulation était capable de prédire précisément les fréquences sur lesquelles est répartie la plupart de l’énergie acoustique ainsi que la forme du spectre de pression diffusé. Finalement, le champ de vitesse du milieu turbulent qui est corrélé avec l’enveloppe du champ de pression diffusé a été reconstruit à l’aide de la méthode de l’estimation stochastique linéaire. Cette méthode nous a notamment permis de visualiser les larges structures turbulentes qui interviennent principalement dans le mécanisme de diffusion acoustique. / During open jet wind tunnel measurements, the acoustic waves emitted by a device or an acoustic source located inside the flow propagate inside the turbulent shear layer that develops at the periphery of the jet before being received by microphones located outside the flow. The acoustic wave interacts with the turbulent velocity field leading to a change of directivity, a phase and amplitude modulation as well as a spectral re-distribution of the acoustic energy over a band of frequencies. This phenomenon is known as acoustic scattering. This work has consisted in the study of the scattering of an acoustic wave by a turbulent shear layer using large-eddy simulation. The first step of the study has consisted in the large-eddy simulation of a turbulent shear layer in its self-similar state. In a second second step, the direct computation of the interaction between the acoustic wave and the turbulent flow has been performed in order to study the characteristics of the resulting scattered pressure field. It has been shown that the numerical simulation is able to accurately predict the frequencies on which the main part of the scattered energy is redistributed, as well as the shape of the scattered pressure spectrum. Finally, the turbulent velocity field which is correlated with the envelope of the scattered pressure field is reconstructed using the linear stochastic estimation method. This method has enabled the visualization of the large turbulent structures that mainly take part in the acoustic scattering mechanism.

Un jet heurtant une plaque fendue peut générer, dans certaines configurations, des nuisances sonores. En effet, l’interaction de l’écoulement et de l’obstacle au niveau de la fente, sous certaines conditions, donne naissance à une perturbation remontant l’écoulement et pouvant contrôler son détachement à sa naissance. La perturbation produite par cette boucle de rétroaction optimise le transfert d’énergie du champ aérodynamique du jet vers le champ acoustique rayonné. Afin d’appréhender la dynamique tourbillonnaire, d’analyser les couplages entre cette dernière et les émissions sonores générées et de mieux comprendre les phénomènes responsables de ces nuisances, un dispositif expérimental basé sur de la métrologie laser a été réalisé. Ce système permet, d’une part, la génération de l’écoulement et la maitrise de ses paramètres (confinement, vitesse, forme,…) et d’autre part, la réalisation de plans lasers et de mesures par imagerie de particules (PIV). Ainsi le travail présenté dans ce manuscrit concerne les couplages qui existent entre la dynamique de l’écoulement heurtant une plaque fendue et les champs acoustiques générés. Les mesures de champs cinématiques d’un jet plan heurtant une plaque fendue par Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) sont réalisées simultanément avec des mesures de champs acoustiques. Après avoir caractérisé les écoulements étudiés, on présente par des graphes spatio-temporels, les corrélations entre les signaux acoustiques et les vitesses de l’écoulement depuis la sortie du jet jusqu’à son arrivée à la plaque fendue. Ces corrélations sont calculées de deux manières : à partir de signaux bruts dans un premier temps, puis, dans un second temps, avec une méthode de pré-blanchiment (terme anglo-saxon : ‘’pre-whitening’’). Cette méthode vise à mettre en exergue l’existence d’une instabilité globale du jet qui existe dans les signaux analysés. Cette instabilité est importante pour la boucle de rétroaction des sons auto-entretenus, mais quasiment masquée devant les phénomènes principaux dominants (tourbillons primaires) dans le calcul des inter-corrélations. / Self-sustaining sounds related to aero-acoustic coupling occurs in impinging jets when a feedback loop is present between the jet exit and a slotted plate: the downstream-convected coherent structures and upstream-propagating pressure waves generated by the impingement of the coherent structures on the plate are phase locked at the nozzle exit. The upstream-propagating waves excite the thin shear layer near the nozzle lip and result in periodic coherent structures. The period is determined by the convection speed of the coherent structures and the distance between the nozzle and the plate. Simultaneous measurements of the velocity fields and the acoustic waves in a plane jet impinging a slotted plate were performed using time-resolved particle image velocimetry (PIV) and a microphone. A better understanding of the flow physics and the aero-acoustic coupling are obtained thanks to spatio-temporal cross-correlations between the transverse velocity and the acoustic signals. Cross-correlations are calculated using two different methods: classical analysis of the original signals and by developing a pre-whitening technique. The latter method is useful for analyzing small random signals superimposed on a high amplitude pure tone.