Lorsqu'une machine tournante est composée d'un rotor et d'une paroi de carter, le jeu désigne l'espace entre l'extrémité des pales et le carter. Ce jeu est le lieu d'écoulements complexes contribuant aux émissions acoustiques des machines tournantes. Ce travail de thèse a pour objectif d'améliorer la compréhension des divers phénomènes résultants d'écoulements de jeu ainsi que de prédire le rayonnement acoustique associé. La littérature traitant de l'aérodynamique des écoulements de jeu est présentée. Une expérience est réalisée sur une configuration simplifiée constituée d'un profil simple fixe à incidence et jeu variables placé dans un écoulement à bas nombre de Mach. Une étude paramétrique est menée afin d'observer l'influence de trois paramètres expérimentaux: la vitesse incidente, l'angle d'attaque et le jeu. Les principaux résultats ainsi que les lois d'évolution qui en découlent sont discutés. / For fans with a rotor confined by a casing, such as encountered in turbomachinery, the spacing between the blade tips and the casing wall is referred to as gap or tip clearance. Complex flows take place in this region that contributes to the overall sound generation of the fan. The objective of the present study is on one hand to improve the understanding of tip leakage flow and its associated broadband noise. On the other hand, efforts are put towards tip leakage broadband noise prediction. The literature review reveals the influence of the gap size onto the flow is highlighted. A experiment carried out on a simplified configuration, which consists of a single non rotating blade with tunable incidence and gap, is presented. A parametric study was conducted in order to determine the influence of the flow velocity, the angle of attack and the gap. Its main results as well as evolution laws are reported and discussed.

L’objectif industriel de cette thèse est d’étudier l’impact de l’environnement moyennes et hautes fréquences sur les lanceurs de missiles et de fusées. Ce champ acoustique est aléatoire et large bande et génère des vibrations à l’intérieur des lanceurs, qui peuvent détériorer les structures et les équipements fragiles, notamment les composants électroniques des équipements embarqués (premiers modes de vibration à 200-500 Hz, situés dans la zone des moyennes fréquences des lanceurs). Il est nécessaire de réaliser un modèle numérique du lanceur, afin de déterminer les niveaux de vibrations se propageant dans les structures internes des lanceurs sur l’ensemble du spectre fréquentiel. Dans le domaine des moyennes fréquences, les méthodes par éléments-finis ou énergétiques — comme la SEA (Analyse Energtique Statistique) — ne sont ni efficaces ni précises. Une nouvelle méthode est alors introduite : la méthode SEA-like. Cette méthode est déterministe et énergétique - pour prendre en compte le caractère aléatoire de l’excitation et les incertitudes des paramètres de la structure - mais s’appuie également sur des analyses basses fréquences, comme l’analyse modale ou par élément fini. Cette méthode est donc valable sur des domaines fréquentielles o`u la méthode SEA ne peut plus être utilisée. Dans une première partie, un système couplé plaque-cavité soumis à une excitation rain-on-theroof est étudié. Ce système a été modélisé avec trois méthodes : la méthode SEA-like basée sur une méthode par couplage modal - qui permet l’étude des échanges énergétiques en interaction fluide-structure dans le domaine des moyennes fréquences - la méthode SEA - qui permet de valider le modèle SEA-like dans le domaine des hautes fréquences, - et enfin une méthode SEA-like basée sur une modélisation par éléments-finis du système couplé et qui permet la validation dans le domaine des moyennes fréquences. Dans une deuxième partie, la méthode SEA-like est étendue à des cas de charges aéroacoustiques. En effet, deux types d’excitations sont fréquemment rencontrées dans le domaine de l’aérospatial et notamment dans l’étude des lanceurs : l’excitation par bruit diffus, qui intervient lors de la première phase de décollage du lanceur et une excitation par couche limite turbulente, qui intervient lors du vol atmosphérique. Ces excitations sont appliqués au système couplé plaque-cavité et modélisés avec la méthode SEA-like. Pour ce faire, les différentes excitations aéroacoustiques sont assimilées à des excitations delta-corrélées équivalentes. Les caractéristiques de l’excitation apparaissent alors dans le vecteur de puissance injectée et la modélisation SEA-like du système proprement dit est indépendante du type d’excitation. La méthode SEA-like est ainsi directement généralisable à différentes excitations. Ces modèles sont validés par comparaison avec des modèles connus d’excitations aéroacoustiques. / The objective of this work is the analysis of spatial launchers behaviour in the mid-high frequency domain. The acoustical excitation of such system is random and broadband. Vibrations propagating inside the spatial system can damage embedded electronic components, which first modes are located in the 200-500 Hz frequency range, i.e. the mid-frequency range of spatial launchers. A numerical modeling of spatial systems must be calculated, in order to predict vibrations inside the systems and avoid such damages. The Finite Element Method (FEM) and the Statistical Energy Analysis (SEA) are not accurate or efficient enough in the mid-frequency domain. A new method is thus introduced : the SEA-like method. This method is determinist and energetic — the random excitation and the uncertainties on the geometric description of the system are considered. This method is based on low-frequency modeling, as modal analysis or FEM. Unlike SEA, SEA-like can be used for mid-frequency analysis. First, a panel-cavity coupled system with rain-on-the-roof excitation is considered. This system is modeled with an SEA-like method based on a modal coupling analysis, with an SEA-like method based on FEM (for mid-frequency validation) and with SEA (for high-frequency validation). The modal coupling analysis of the coupled system leads to an analysis of fluid-structure interaction in the mid-frequency domain. The random acoustical field is then considered. Two aerodynamic loads are studied : diffuse field, which is present during lift-off of the launcher, and turbulent boundary layer excitation, which is present during the aerodynamic flight. Modeling of aerodynamic loads with SEA-like is performed by introducing equivalent delta-correlated excitations. Considering the SEA-like equation, the information on the excitation is located in the injected power vector. The modeling of the system becomes independent of the excitation. One SEA-like modeling can thus be applied to several aerodynamic loads.

Aujourd'hui, la réduction du bruit est une priorité incontournable dans le domaine aéronautique. En effet, des normes de plus en plus restrictives sont adoptées par les organismes de certification en matière de bruit environnemental et ainsi la qualité acoustique est devenue un argument de vente et le bruit un obstacle à la commercialisation. Depuis ces dernières 35-40 années, le bruit des avions a été considérablement réduit, en particulier grâce à des turboréacteurs plus silencieux. Une autre méthode consiste dès la conception à modifier la géométrie de l'avion afin d'utiliser les réflexions, diffractions et réfractions des ondes sonores sur le fuselage et les ailes afin de diminuer le bruit des turboréacteurs se propageant au sol. Ces multiples phénomènes physiques sont décrits comme les effets d'installation. La compagnie Pratt & Whitney Canada (P&WC) souhaitait acquérir un outil de prédiction du bruit des turboréacteurs qui prend en compte les effets de réflexions et de diffractions afin d'optimiser dès la conception le niveau sonore perçu au sol. Le bruit propre des moteurs était une donnée d'entrée de ce module. Actuellement, les méthodes de calcul exact utilisées sont limitées aux moyennes et basses fréquences car elles deviennent trop coûteuses en temps de calcul pour les hautes fréquences. On s'est donc tourné vers une méthode asymptotique, valable en hautes fréquences : la méthode des rayons couplée à la méthode paraxiale. L'objectif de cette maîtrise consistait à implémenter un module, sous Matlab, de propagation acoustique prenant en compte les effets d'installation avec la méthode géométrique. Ce module a été par la suite intégré au code existant de propagation acoustique de P&WC. Le code calcule dans un premier temps toutes les caractéristiques des rayons puis reconstruit le champ de pression en un ou plusieurs points, typiquement en champ lointain. Ce code est validé par l'étude de plusieurs cas de propagation validés par la méthode des sources images et la méthode des éléments finis de frontière.

L'objectif industriel de cette thèse est d'étudier l'impact de l'environnement moyennes et hautes fréquences sur les lanceurs de missiles et de fusées. Ce champ acoustique est aléatoire et large bande et génère des vibrations à l'intérieur des lanceurs, qui peuvent détériorer les structures et les équipements fragiles, notamment les composants électroniques des équipements embarqués (premiers modes de vibration à 200-500 Hz, situés dans la zone des moyennes fréquences des lanceurs). Il est nécessaire de réaliser un modèle numérique du lanceur, afin de déterminer les niveaux de vibrations se propageant dans les structures internes des lanceurs sur l'ensemble du spectre fréquentiel. Dans le domaine des moyennes fréquences, les méthodes par éléments-finis ou énergétiques -- comme la SEA (Analyse Energtique Statistique) -- ne sont ni efficaces ni précises. Une nouvelle méthode est alors introduite : la méthode SEA-like. Cette méthode est déterministe et énergétique - pour prendre en compte le caractère aléatoire de l'excitation et les incertitudes des paramètres de la structure - mais s'appuie également sur des analyses basses fréquences, comme l'analyse modale ou par élément fini. Cette méthode est donc valable sur des domaines fréquentielles o'u la méthode SEA ne peut plus être utilisée. Dans une première partie, un système couplé plaque-cavité soumis à une excitation rain-on-theroof est étudié. Ce système a été modélisé avec trois méthodes : la méthode SEA-like basée sur une méthode par couplage modal - qui permet l'étude des échanges énergétiques en interaction fluide-structure dans le domaine des moyennes fréquences - la méthode SEA - qui permet de valider le modèle SEA-like dans le domaine des hautes fréquences, - et enfin une méthode SEA-like basée sur une modélisation par éléments-finis du système couplé et qui permet la validation dans le domaine des moyennes fréquences. Dans une deuxième partie, la méthode SEA-like est étendue à des cas de charges aéroacoustiques. En effet, deux types d'excitations sont fréquemment rencontrées dans le domaine de l'aérospatial et notamment dans l'étude des lanceurs : l'excitation par bruit diffus, qui intervient lors de la première phase de décollage du lanceur et une excitation par couche limite turbulente, qui intervient lors du vol atmosphérique. Ces excitations sont appliqués au système couplé plaque-cavité et modélisés avec la méthode SEA-like. Pour ce faire, les différentes excitations aéroacoustiques sont assimilées à des excitations delta-corrélées équivalentes. Les caractéristiques de l'excitation apparaissent alors dans le vecteur de puissance injectée et la modélisation SEA-like du système proprement dit est indépendante du type d'excitation. La méthode SEA-like est ainsi directement généralisable à différentes excitations. Ces modèles sont validés par comparaison avec des modèles connus d'excitations aéroacoustiques.

Lorsqu'une machine tournante est composée d'un rotor et d'une paroi de carter, le jeu désigne l'espace entre l'extrémité des pales et le carter. Ce jeu est le lieu d'écoulements complexes contribuant aux émissions acoustiques des machines tournantes. Ce travail de thèse a pour objectif d'améliorer la compréhension des divers phénomènes résultants d'écoulements de jeu ainsi que de prédire le rayonnement acoustique associé. La littérature traitant de l'aérodynamique des écoulements de jeu est présentée. Une expérience est réalisée sur une configuration simplifiée constituée d'un profil simple fixe à incidence et jeu variables placé dans un écoulement à bas nombre de Mach. Une étude paramétrique est menée afin d'observer l'influence de trois paramètres expérimentaux: la vitesse incidente, l'angle d'attaque et le jeu. Les principaux résultats ainsi que les lois d'évolution qui en découlent sont discutés.

Cette thèse s’intéresse à la turbulence incompressible homogène et anisotrope, et plus particulièrement à l’effet d’une rotation solide et d’un champ magnétique uniforme et stationnaire. En plus des simulations numériques directes (DNS), nous présentons également un modèle synthétique de turbulence (Kinematic Simulation ou KS) construit à partir d’une superposition de modes de Fourier, et au sein duquel la dynamique linéaire (basée sur la Rapid Distorsion Theory) peut être incluse. Dans un premier temps, l’effet de la rotation solide est étudié avec un effort particulier porté sur les corrélations en deux-temps. Une comparaison entre DNS et KS est proposée dans le cas isotrope comme dans le cas en rotation. Dans le contexte aéroacoustique, on montre dans quelle mesure la rotation modifie l’émission acoustique d’une turbulence homogène. L’effet d’un champ magnétique est ensuite considéré et l’anisotropie de l’écoulement est étudiée en fonction du nombre de Reynolds magnétique. Il est montré dans quelle mesure la turbulence magnétohydrodynamique quasi-statique est similaire à la turbulence “deux-dimensions trois-composantes” du fait de la dissipation Joule anisotrope et comment l’écoulement restaure son isotropie lorsque le nombre de Reynolds magnétique croît. Enfin, l’effet couplé d’une rotation et d’un champ magnétique est considéré. Les propriétés énergétiques ainsi que l’anisotropie sont étudiés et une étude paramétrique en fonction du nombre d’Elsasser est proposée. / This thesis focuses on incompressible homogeneous anisotropic turbulence, with a particuliar interest on the effect of a solid-body rotation and a uniform steady magnetic field. In addition to Direct Numerical Simulations (DNS), we also propose a stochastic model of anisotropic turbulence (Kinematic Simulation or KS) based on a superposition of Fourier modes, in which linear dynamics (based on Rapid Distorsion Theory) is included. First, the effect of a solid body rotation is studied and we focus on two-time velocity correlations. Comparisons between KS and DNS are presented in the isotropic and rotating cases. We then apply these results to aeroacoutics and show how the rotation modifies the acoustic emission of homogeneous turbulence. Secondly, we focus on the effect of an imposed magnetic field and we describe the anisotropy of the flow in function of the magnetic Reynolds number. The quasi-static magnetohydrodynamic turbulence is very similar to the so-called 2D-3C turbulence due to anisotropic Joule dissipation and we show how the isotropy is restored as the magnetic Reynolds numbers increases. Finally, we consider the coupled effect of rotation and magnetic field. Energetic properties and anisotropy are studied and a dependance of the results on the Elsasser number is also proposed.

Simples à produire et robustes, les machines électriques à reluctance variable sont adaptées à des conditions sévères de fonctionnement, notamment à vitesse élevée. Les machines à reluctance variable (MRV) ne sont cependant que rarement utilisées principalement en raison du niveau élevé de bruit qu'elles émettent. Les travaux menés au cours de cette thèse visent, dans un premier temps, à qualifier le bruit émis par une machine à reluctance variable à haute vitesse de rotation. Conformément à ce qui est communément admis, il a été établi que le bruit émis en haute vitesse par la machine étudiée est dominé par le bruit aérocoustique. Le bruit aéroacoustique consiste en l'ensemble des émissions sonores issues de phénomènes aérodynamiques qui prennent naissance dans l'entrefer de la machine. Le second chapitre de l'étude est consacré à la mise en place d'une méthode d'estimation quantitative du bruit aéroacoustique émis par la machine étudiée. Le bruit aéroacoustique n'ayant pas encore été étudié de manière quantitative pour les machines électriques, l'étude se tourne vers les machines tournantes (turboréacteur, ventilateurs, ...) pour lesquelles la littérature sur le bruit aéroacoustique est abondante. Une méthode d'estimation du bruit aéroacosutique émis par la machine est alors construite. Cet estimateur se base sur une simulation de dynamique des fluides en deux dimensions de l'écoulement turbulent dans l'entrefer. Vient ensuite une confrontation des niveaux de bruit estimés avec des données expérimentales. Le bruit émis par la machine étudiée est calculé et mesuré pour deux géométries différentes du rotor sur une large plage de vitesses de rotation. La cohérence observée entre les résultats expérimentaux et numériques valide les hypothèses formulées au chapitre précédent tout en soulignant, comme attendu, les limites de la méthode de calcul en deux dimensions. Enfin, dans un quatrième chapitre, la méthode d'estimation du niveau de bruit aéroacoustique est utilisée afin d'explorer l'influence des paramètres géométriques de la machine sur son niveau de bruit. / Due to its simple construction and robustness, Switched Reluctance Machine (SRM) is well suited for high rotation rates. SRM applications are however quite rare mainly because of the high level of noise this machine produces. First, this work aims to describe the noise emmitted by the studied SRM at high rotation rates. In accordance with the common understanding, it was proven that noise emitted by high rotation rates SRM is dominated by aeroacoustic noise. The aeroacoustic noise consists of the whole soundemission comig out of aerodynamic phenoma located in the air gap of the machine. Chapter two is concerned with the implementation of an estimation method for aeroacoustic noise level dedicated to the studied SRM. Aeroacoustic noise for electrical machines has not been quantitatively studied yet. Conversely, studies about aeroacoustic noise of rotating machinery (turboreactor, fan, ...) is quite abundant in the litterature. Consequently, this study focuses onrotating machinery to build an aeroacoustic noise estimation method for SRM. This estimationtool is based on a Computational Fluid Dynamics (CFD) calculation of the turbulent ow in theair gap. Estimated noise levels are then compared with experimental data. Emitted noise level is estimated and measured for two distinct rotor geometries over a wide range of rotation rates. Calculation assumptions are validated by the consistency between experimental and numerical results. Asexpected, the 2D CFD simulation brings an over estimation of noise level. Finally, the fourth chapter deals with the use of the aeroacoustic noise estimation tool to study the influence of geometrical parameters of a SRM on its noise emission level.

La conception de turboréacteurs présente de plus en plus de défis. Le respect de l'environnement, naturel et sonore, est devenu un enjeu majeur pour les motoristes car il devient un argument de vente important et une condition sine qua non afin de valider les futures normes en aviation. Dans ce contexte, il est devenu nécessaire d'étudier et de prédire les différentes sources de bruit d'un turboréacteur pour les inclure dans sa conception. Parmi ces différentes sources de bruit, celle de la chambre de combustion est méconnue et devient une source de bruit aval de plus en plus importante dans les phases d'approche et de croisière où le bruit de jet a été significativement réduit. Nous pourrons aussi nous intéresser aux modes de conduit générés par les interactions rotor-stator des différents étages de compresseurs et de turbines en amont et aval de la chambre de combustion respectivement. L'effet de masquage étant réduit par la diminution du nombre d'étages de turbines, il est donc nécessaire d'évaluer la transmission et la réflexion des ondes acoustiques (responsables du bruit direct) mais aussi entropiques et de vorticité (responsables du bruit indirect) issues de la combustion ainsi que des modes de conduit à travers les étages de turbines d'un turboréacteur. L'objectif, dans le cadre de la Chaire de recherche en acoustique appliquée à l'aviation en collaboration avec Pratt & Whitney Canada, est de développer un modèle de pertes par transmission valide autant pour les basses fréquences (chambre de combustion) que pour des fréquences plus élevées (interactions rotor-stator). Différents niveaux de modélisation sont utilisés à partir de disques actifs ou semi-actifs. Ces théories sont utilisées pour les très basses fréquences en considérant que l'espace inter-aubes et la corde du profil sont faibles devant la longueur d'onde. Les théories plus complexes prennent en compte une corde non négligeable et donc des fréquences plus élevées. Parmi les modèles existants dans la littérature, nous avons choisi de sélectionner deux modèles en particulier. Tout d'abord un modèle de disque actif pour prendre en compte la déviation de l'écoulement par les aubes puis un modèle de grille d'aubes pour prendre en compte la corde et l'espace inter-aubes. L'objectif est de coupler ces deux modèles afin de prendre en compte tous les effets intervenant dans la transmission des ondes à travers les étages de turbines d'un turboréacteur.

Le bruit est aujourd'hui un enjeu majeur dans l'aéronautique. Au coeur d'un milieu concurrentiel, les motoristes aéronautiques doivent réduire les émissions sonores de leurs produits pour améliorer le confort des passagers des avions. C'est le cas de Pratt and Whitney Canada (P&WC) qui doit réduire le niveau sonore de ses moteurs, et donc avant tout connaître ces sources sonores. L'objectif de ce projet de recherche est d'identifier et de discriminer les sources acoustiques des sources aéroacoustiques de moteurs d'avions fabriqués par P&WC placés dans des cellules de tests. Ces cellules sont déjà utilisées à des fins aéroacoustiques par P&WC. Pour ce faire, l'utilisation d'outils de calcul numériques est primordiale pour simuler le problème. Dans un premier temps, ils permettront de dimensionner une antenne (géométrie, nombre de microphones, envergure) de manière optimale pour effectuer la mesure du champ acoustique généré par les sources sonores. Ensuite, les simulations numériques permettront de proposer des algorithmes de localisation de sources sonores se basant sur la technique de formation de voies (beamforming en anglais). Ils doivent s'adapter aux conditions expérimentales imposées par P&WC. En effet, toutes les mesures se font dans les salles de test de P&WC, qui sont des milieux réverbérants. Les murs de ces salles réfléchissent les ondes acoustiques, ajoutant ainsi du bruit indésirable au signal initial, rendant l'établissement de la cartographie sonore plus difficile, voire inexact. Des mesures dans les salles de test de P&WC permettront de les caractériser acoustiquement (temps de réverbération, coefficient de réflexion des murs etc...). Ensuite, des expériences en salle réverbérante au Groupe d'Acoustique de l'Université de Sherbrooke (GAUS) seront menées pour valider différentes approches du problème. L'application aux salles de P&WC suivra. La technique sera compatible avec tous les moteurs de P&WC (et même généralisable à une multitude d'autres situations). Elle permettra d'identifier et de localiser les sources acoustiques des moteurs.

Le contrôle de bruit est un domaine de recherche très fertile. Que ce soit pour du contrôle actif ou passif, de nombreuses recherches sont menées pour améliorer les méthodes existantes ou pour trouver de nouveaux procédés. Ainsi, dans le domaine du contrôle actif, de nouveaux moyens de production d’anti-bruit sont développés en vue de les substituer aux duos amplificateur/haut-parleur fragiles, gourmands en énergie et encombrants. Le sujet abordé ici est la conception et la réalisation d’un prototype capable de générer de forts niveaux de bruit à partir d’une source d’écoulement d’air à fort débit. Le prototype servira ensuite de source pour le contrôle actif du bruit d’un ventilateur. Pour atteindre ces performances, un design simple a été développé : l’obstruction périodique de l’écoulement d’air comprimé génère une source acoustique harmonique à la fréquence d’obstruction de l’écoulement. Le contrôle de la vitesse de l’obstruction gère la fréquence et la phase de l’anti-bruit émis. Le dispositif conçu dans ce projet permet de générer un bruit tonal réglé en phase et en fréquence sur une référence, pour une pression acoustique de 110 dB à 1 m.