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.

Depuis plusieurs décennies, le trafic aérien ne cesse de croître. Ainsi, près de 6 milliards de passagers transitent dans le monde par an. Les objectifs européens à l'horizon 2020 en terme d'émission sonore des aéronefs imposent une réduction de 10 dB par point de mesure par rapport aux aéronefs de l'an 2000. Dans ce contexte, le projet européen VALIANT (VALidation and Improvement of Airframe Noise prediction Tools) a pour but principal de tester, valider et améliorer les codes numériques et les modèles de prédiction du bruit de cellule (trains d'atterrissage + voilure) sur des géométries simplifiées afin de disposer de cas tests pour les recherches futures. L'objectif de la thèse, associé à la contribution de l'ECL dans ce projet, est de créer des bases de données expérimentales fiables sur des systèmes à deux éléments - bec/aile et aile/volet - et de modéliser analytiquement le bruit issu de tels systèmes. La thèse s'est concentrée sur un système aile/volet non porteur et parallèle dans un écoulement de soufflerie à veine ouverte, en configuration d'alignement ou de recouvrement partiel, menant à de possibles interactions aérodynamiques et/ou acoustiques. Les mesures ont été faites pour différentes vitesses d'écoulement (30 − 100 m~s), avec une attention particulière à 50 m~s (M0 ∼ 0, 15). Le taux de turbulence de l'écoulement incident est modifiable par l'ajout d'une grille de turbulence à maille large placée dans la section de sortie du convergent. Les résultats aérodynamiques (fil chaud, pression en paroi) ont révélé la présence d'une forte interaction lorsque la distance entre les deux corps est de l'ordre de grandeur de la couche limite turbulente au bord de fuite de l'aile. De plus, le couplage acoustique a lieu lorsque la longueur de recouvrement est positive ou nulle. Des mesures de localisation de sources menées par l'ONERA/DSNA ont permis de valider les mesures de champ lointain en confirmant l'absence de sources de bruit d'installation en dessous de 10 kHz. Par ailleurs, des comparaisons avec les simulations numériques donnent de bons accords. Du point de vue analytique, le problème mathématique de deux plaques planes en recouvrement partiel dans un écoulement uniforme a été posé et une réduction bidimensionnelle a été justifiée. Le problème n'ayant pas de solution exacte, plusieurs modèles issus de la littérature - théories de Howe et d'Amiet - ont été étudiés. Les plus pertinents ont été confrontés aux résultats expérimentaux, révélant les limites asymptotiques de ces modèles. Un modèle original est alors proposé pour la géométrie du problème posé, sans hypothèse restrictive. La démarche est basée sur une procédure de diffraction itérative permettant de prendre en compte la proximité des deux corps et utilisant la fonction de Green exacte du demi-plan en écoulement uniforme. Le modèle prédit des comportements qualitatifs angle/fréquence proches des résultats expérimentaux. La prise en compte de la statistique des rafales incidentes reste néanmoins à effectuer afin de procéder à des comparaisons quantitatives. Une campagne expérimentale complémentaire avec une marche descendante permet de mettre en évidence les écoulements de cavité arrière d'une aile, plus proche de la réalité. De même, des mesures sur une configuration bec/aile a été testée et la prise en compte de la déflexion du jet de la soufflerie pour la réfraction des ondes sonores par la couche de cisaillement a été proposée.

La problématique des résonances acoustiques dans un tube corrugué sous écoulement a été étudiée conjointement sur le plan expérimental et numérique. Des analyses portant sur la structure de l’écoulement lors de l’apparition du sifflement sont réalisées. Elles visent à mieux comprendre la nature du phénomène et le couplage aéroacoustique en jeu.Des expériences en laboratoire sur trois géométries de veines corruguées de petites longueurs(1 à 2 m) ont été réalisées. Un écoulement d’air était appliqué pour des vitesses comprises entre10 et 25 m/s et une pression voisine de la pression atmosphérique faisant apparaître les résonancesacoustiques longitudinales. Des mesures par fil chaud, microphone et par technique laser (Particle ImageVelocimetry) ont permis de caractériser l’écoulement dans des conditions favorisant le sifflement. Sur ces différentes mesures, nous avons appliqué une technique de reconstitution spatio-temporelle, laLinear Staochastic Estimation (LSE). Des simulations numériques de type Lattice Boltzmann (2D, codePOWERFLOW, EXA) ont permis de prédire ce phénomène aéroacoustique avec une bonne détermination des modes préférentiels selon les conditions d’écoulement dans un tuyau corrugué court(1 à 2 m).Finalement, des essais à haute pression (P < 40 bars) conduits sur un riser industriel de 18 m ontcomplété cette étude. Dans ce cas, la résonance produite devenait transverse. Des traitements dessignaux tels que la transformation de Hilbert Huang ou par ondelettes de Gabor ont été appliqués mettant en évidence l’influence de la géométrie des corrugations sur le sifflement en temps, en fréquence et enamplitude.Dans les deux configurations, que ce soit en laboratoire ou en installation industrielle, les structures au sein de l’écoulement, dont la fréquence caractéristique était celle du sifflement, se déplaçaient à la vitesse de l’écoulement. Dans les deux cas, lorsque le tuyau corrugué se met à chanter, les mesures de vitesse et de pression dans l’écoulement montre une prédominance du pseudo-bruit sur le signal sonore. L’excitation observée sur les risers en condition de sifflement est celle d’un pseudo-bruit de niveau defluctuations très important sans distorsion non linéaire, et ce malgré un niveau de 170 dB. / The problem of acoustic resonances in a corrugated pipe under flow has been studied both experimentally and numerically. Analyzes concerning the flow structure during the whistling phenomenon are performed. They aim to better understand the nature of the phenomenon and the aeroacoustic coupling involved.Laboratory experiments were carried out on three geometries of corrugated veins of short lengths(1 to 2 m). An air flow was applied for speeds between 10 and 25 m/s and a pressure close toatmospheric pressure showing the longitudinal acoustic resonances. Measurements by hotwires,microphone and laser technique (Particle Image Velocimetry) allowed to characterize the flow under conditions favoring whistling. On these different measures, we applied a spatio-temporal reconstructiontechnique, the Linear Staochastic Estimation (LSE). Numerical simulations of Lattice Boltzmann method (2D, POWERFLOW code, EXA) have made possible the prediction of this aeroacousticphenomenon with a good determination of the preferential modes according to the flow conditions in ashort corrugated pipe (1 to 2 m).Finally, high pressure tests (P < 40 bars) conducted on an industrial riser of 18 m completed thisstudy. In this case, the resonance produced became transverse. Signal processing such as the HilbertHuang transformation or Gabor wavelet has been applied, highlighting the influence of the corrugation geometry on whistling in time, frequency and amplitude.In both configurations, whether in the laboratory or in an industrial facility, the structures within the flow, whose characteristic frequency was whistling, moved at the rate of flow. In both cases, when the corrugated pipe sings, velocity and pressure measurements in the flow show a predominance of the pseudo-noise on the sound signal. The excitation observed on the risers in the whistling condition is that of a pseudo-noise of very high level of fluctuations without non-linear distortion, and this despite a level of 170 dB.

Le présent travail a consisté à évaluer, améliorer et valider plus avant une méthode de couplage faible CFD/CAA, notamment relativement à son application à des problèmes réalistes de bruit avion. Entre autres choses, il a été ici montré dans quelle mesure une telle méthode hybride peut effectivement (i) s’accommoder des contraintes inhérentes aux applications réalistes, (ii) sans être menacée par certains de ses inévitables effets de bord (tels que la dégradation du signal auxquelles sont soumises les données CFD, lorsqu’elles sont traitées ou exploitées acoustiquement). / The present work consisted in improving, assessing and validating further the CFD/CAA surface weak coupling methodology, with respect to its application to realistic problems of aircraft noise. In particular, it was here shown how far such hybrid methodology could (i) cope with all stringent constraints that are dictated by real-life applications, (ii) without being jeopardized by some of the unavoidable side-effects (such as the signal degradation to which CFD data are subjected, when processed or being then acoustically exploited).

La contribution relative du bruit de combustion au bruit global des moteurs aéronautiques augmente progressivement dû d'un coté à la réduction des autres sources et d'un autre à l'implémentation des nouvelles technologies de chambre de combustion pour la réduction des émissions de NOx. Deux mécanismes sont responsables de cette source de bruit : d'abord le bruit direct, dû aux ondes acoustiques générées par la flamme qui se propagent à la sortie du moteur d'avion, et ensuite le bruit indirect, généré par les ondes d'entropie quand elles sont accélérées et ralenties dans les étages de turbine. Dans ce travail, les modèles analytiques utilisés pour la propagation des ondes à travers les flux non-homogènes, y compris la génération de bruit indirect, sont révisés et étendus. Tout d'abord, le cas quasi-1D est étudié: la méthode analytique est étendue pour les fréquences non nulles et validée avec des méthodes numériques et des données expérimentales. Dans la seconde partie, la méthode analytique 2D dans le cas d'aubes de turbines compactes est étudiée et validée à l'aide de simulations numériques d'un rotor et d'un étage de turbine complète. Enfin, ces modèles sont combinés avec des simulations aux grandes échelles réactives et compressibles de chambres de combustion pour construire une approche hybride appelée CHORUS capable de prédire le bruit de combustion. / 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.

Avant leur lancement dans l'espace, les satellites font l'objet de tests afin d'éprouver leurs comportements à diverses sollicitations (thermiques, acoustiques, etc.). Pour les essais acoustiques, la société Intespace soumet les satellites à de forts niveaux sonores (de l'ordre de 145 dB SPL dans la chambre réverbérante) comparables à ceux existant lors du décollage du lanceur. Elle utilise pour cela des sources électropneumatiques couplées à des pavillons débouchant dans une chambre réverbérante. Ce système acoustique assure sa mission avec succès mais la société Intespace s'interroge sur ses possibilités d'amélioration. Deux prototypes de sources pneumatiques (à disque oscillant ou rotatif, à l'échelle 1 sur 5) sont développés et construits. Les prédictions théoriques avec vena contracta sont comparées aux données expérimentales issues d'un banc de mesure. Leurs différences concernant les niveaux sonores à la sortie de la source n'excèdent pas 1 dB pour des pressions d'alimentation de 1 à 3,5 bars absolus. Un prototype de pavillon de géométrie optimisée a été construit à l'échelle 1 sur 5. Les mesures montrent des performances intéressantes. Compte tenu des niveaux sonores générés par la source, une étude de la propagation dans le pavillon met en évidence des phénomènes non linéaires, qui s'avèrent peu influencés par la présence d'un écoulement moyen pour les vitesses envisagées dans l'étude. Finalement, des mesures sont réalisées sur l'ensemble du système à l'échelle 1 sur 5, afin d'en évaluer les performances. Les niveaux sonores mesurés sont comparés aux prédictions d'un modèle issu de la théorie de Sabine. Les différences n'excèdent pas plus ou moins 3 dB. / Before their launch in space, satellites are the object of tests in order to test their behaviors with diverse constraints (thermal, acoustic, etc.). In terms of acoustic qualification, the Intespace company submits the satellites to high sound levels (of the order of 145 dB SPL in the reverberating room) comparable to those existing during the take-off phase of the launcher. For this purpose, it uses electropneumatic sources coupled to horns opening into a reverberating room. This acoustic system ensures its mission successfully but Intespace is wondering about the possibilities of improving the system. Two prototypes of pneumatic sources (oscillating or rotating disk, 1 on 5 scale) are developed and constructed. Theoretical predictions taking into account the vena contracta are compared with the experimental data from an instrumented measuring bench. Their differences in the sound levels at the source outlet do not exceed 1 dB at supply pressures of 1 to 3.5 bars absolute. A horn prototype whose shapes have been optimized was built on a 1 on 5 scale. The measurements show interesting performances. Considering the sound levels generated by the source, a study of the propagation in the horn highlights nonlinear phenomena. The latter are not influenced by the presence of an average flow for the velocities envisaged in the study. Finally, measurements are realized on the whole system at 1 on 5 scale, in order to evaluate their performance. The measured sound levels are compared to the predictions of a model derived from the Sabine theory. The differences do not exceed 3 dB or less.

Les doublets d'hélices contra-rotatives (CROR) sont un moyen alternatif aux turbofans actuels pour propulser les avions commerciaux. Un CROR est composé de 2 soufflantes coaxiales non carénées tournant dans des sens opposées. Actuellement, les CROR pourraient réduire les émissions de CO2 mais les émissions sonores pourraient être un frein à leur commercialisation. Au décollage et en condition d'approche, le son est principalement créé par la charge instationnaire subie par un des rotor. Cette charge provient de l'interaction d'un des rotors avec des fluctuations de vitesses périodiques produites par l'autre. Ce bruit d'interaction provient principalement de 3 sources principales. La première est liée à l'interaction des sillages visqueux provenant du rotor amont qui se font découper par le bord d'attaque des pales du rotor aval. La seconde est liée au potentiel de vitesse créé par le bord d'attaque des pales du rotor aval qui influence les vitesses vues au bord de fuite des pales du rotor amont. La dernière provient de l'interaction des pales du rotor aval avec les tourbillons d'extrémités créés en tête ou en pied de pale du rotor amont. Cette dernière interaction s'est avérée principale pour des conditions d'approche et de décollage. Pour réduire l'interaction tourbillon de tête - pale aval pour des conditions nominales de vol, le rayon maximal des pales du rotor aval est rogné. Le rognage classique est obtenu pour les conditions de décollage et d'approche où l'effet de contraction de la veine fluide est le plus important. Cependant, le CROR est alors considéré avec un écoulement uniforme sans angle d'incidence. Avant de prendre en compte les effets d'incidences, il peut être intéressant de prendre en compte l'angle de contraction de la veine fluide qui pour certaines configurations et points de fonctionnement est suffisant pour réactiver l'interaction pale-tourbillon. L'interaction est alors tridimensionnelle, toutes les composantes de la vitesse du tourbillon contribuent au bruit émis. Le but de cette étude sera d'analyser l'influence de la contraction de la veine fluide et des trois composantes de la vitesse du tourbillon de tête sur la charge instationnaire vu par la pale aval. Ces améliorations seront implémentées dans un outil de prévision de bruit de turbomachines : Optibrui. Une étude paramétrique préliminaire sera faite sur cette source. Les retombées de cette étude sont doubles. Tout d'abord, une meilleure compréhension des mécanismes d'interactions entre un tourbillon et une pale tournante dans des conditions réalistes sera possible. Ensuite, un outil rapide d'évaluation préliminaire du bruit provenant de l'interaction pale-tourbillon sera incorporé dans le but de pouvoir effectuer une optimisation aéroacoustique sur des géométries préliminaires.

Au sein d’un échangeur à air, les trompes à air permettent de créer l’écoulement d’air froid nécessaireà son bon fonctionnement. Ces dispositifs, qui peuvent ^etre assimilés à des jets subsoniques confinésen conduit, peuvent contribuer au bruit rayonné par les avions lors des phases au sol. Nous proposonsdans cette thèse de développer un outil numérique prédictif de l’acoustique rayonnée par ces dispositifsafin de pouvoir proposer des solutions de réduction de bruit appropriées. Cet outil est adapté au contexteindustriel de Liebherr Aerospace. Une méthode stochastique permet, à partir d’un calcul stationnaireRANS, de générer un champ de vitesse turbulente qui autorise la formation d’un terme de forçage dansles équations d’Euler linéarisées qui sont alors utilisées comme un opérateur de propagation. Un nouveaumodèle stochastique basé sur l’hypothèse de sweeping est développé. Ce dernier permet de produiredes champs instationnaires respectant certaines propriétés aérodynamiques statistiques dans le cadre dejets libres subsoniques. Cette méthode est couplée avec le solveur Euler de l’Onera sAbrinA_v0 et l’outilrésultant est appliqué sur le cas d’un jet libre subsonique à M=0.72. Moyennant une calibration duterme source, la méthodologie permet de reproduire les spectres acoustiques en champ lointain, exceptépour les angles faibles. L’outil numérique est ensuite couplé avec un solveur FW-H pour étudier le casconcret de la trompe à air. Les résultats aérodynamiques et acoustiques sont validés par comparaison àune base de données aérodynamique et acoustique constituée au préalable à partir d’une campagne d’essaiscomprenant des mesures par anémométrie laser Doppler à l’intérieur du conduit et des microphonesacoustiques en champ lointain. / In air exchangers, the cool air flow can be produced by jet pumps. These devices, which can be consideredas subsonic jets confined in ducts, could contribute directly to ramp noise. A predictive numerical toolof the acoustic radiated by jet pumps is therefore developped in order to be able to propose appropriatenoise reduction solutions. This tool is adapted to Liebherr Aerospace’s industrial context. A stochasticmethod allows, starting from a steady RANS computation, to synthetise a turbulent velocity fields andto enforce source terms in the linearized Euler equations therefore used as a wave propagator. A newstochastic model relying on the sweeping hypothesis is developped. Unsteady fields reproducing someaerodynamics features of a free subsonic jet flow can be generated. This method is then coupled withOnera’s Euler solver sAbrinA_v0 and the resulting tool is applied on a free subsonic jet configuration atMach 0.72. Assuming a cabration of the source terms, this methodology models properly the far fieldacoustic spectra except for small angles. The numerical tool is then coupled with a FW-H solver to studya realistic jet pump. Aerodynamic and acoustic results are validated by comparison with a data baseobtained from an experimental campaign including laser Doppler anemometry measures inside the ductand pressure recording in the far-field.

Ces travaux de doctorat portent sur la réduction du bruit d'origine aérodynamique émis par les ventilateurs et les doublets d'hélices contra-rotatifs. La méthodologie proposée consiste à intégrer des méthodes rapides et précises de prédiction des niveaux sonores dans le processus de conception. Cette thématique a vu son intérêt augmenter depuis que l'Union Européenne a restreint les limites d'exposition au bruit en milieu de travail et dans les zones habitées à proximité des aéroports. Parmi les méthodes numériques employées en aéroacoustique, les méthodes hybrides de prédiction du bruit sont considérées comme particulièrement appropriées pour la conception automatisée du fait de leur coût modéré en temps de calcul. Ces méthodes séparent la résolution de l'écoulement aérodynamique de celle de la génération du bruit et de sa propagation en champ lointain. L'écoulement aérodynamique est obtenu par simulation numérique, tandis que l'acoustique est traitée par méthodes analytiques. Ces méthodes analytiques développées et validées pour déterminer le bruit d'un profil aérodynamique placé dans un écoulement turbulent seront étendues pour traiter le réponse acoustique de pales en rotation. Ces travaux se concentrent sur deux configurations de ventilateurs basses vitesses. La première configuration traitée est le doublet d'hélices contra-rotatif de 4.2m de diamètre de la soufflerie L-1 de l'Institut von Karman (VKI). Ce système permet d'étudier le phénomène de bruit tonal et à large bande dû à l'impact des sillages turbulents, générés par l'hélice amont, sur l'hélice aval. La deuxième configuration traitée est un ventilateur à quatre pales du CETIAT (France) installé seul dans un large plenum. Ce système permet d'étudier le bruit propre ou bruit de bord de fuite causé par l'interaction des tourbillons générés par l'écoulement autour de la pale avec le bord de fuite de la pale. Pour cette configuration, des données expérimentales sont rendues disponibles dans le cadre d'un projet commun entre le VKI et le CETIAT. Les méthodes hybrides sont développées et mises en oeuvre pour ces deux mécanismes de bruit présents dans les deux configurations de ventilateur. L'objectif de ces travaux de thèse est d'employer les méthodes hybrides ainsi calibrées et validées pour réaliser l'optimisation du doublet d'hélices contra-rotatif de la soufflerie L-1. Le coeur de ces travaux portera sur l'extension des méthodes hybrides pour la prédiction du bruit d'un profil dans un écoulement turbulent uniforme au cas du bruit tonal et à large bande d'interaction de sillages et du bruit à large bande de bord de fuite dans des ventilateurs basses vitesses. Il sera montré qu'il est possible de déterminer le spectre de bruit de manière rapide et précise en s'appuyant sur la connaissance du champ aérodynamique dont les quantités seront extraites de simulations numériques stationnaires (RANS) pour alimenter la formulation analytique retenue. Cette dernière doit être adaptée au mécanisme de bruit étudié, à savoir l'interaction d'une pale de ventilateur avec un sillage ou celle du bord de fuite avec la turbulence qui s'est développé le long de la pale. Les deux mécanismes de bruit sont d'abord modélisés avec des fonctions analytiques qui sont calibrés avec les données des simulations numériques. Les modèles de sources de bruit ainsi que les estimations finales de spectre de bruit sont comparées aux données expérimentales disponibles et à des simulations directes. Enfin la méthodologie retenue est mise en oeuvre dans le cadre de l'optimisation du doublet d'hélices L-1 au moyen d'un algorithme génétique. L'étude détaillée de la sensibilité des paramètres et des contraintes de l'optimisation apporte un nouveau regard sur l'optimisation multi-objectif efficacité-bruit qui sera de plus en plus utilisée pour la conception de turbomachine dans le futur. / Abstract : The context of this thesis is the reduction of noise emitted by ventilation fans and aeronautical counter-rotating open rotors, which will be achieved by implementing fast and accurate noise prediction methods in the design process. The interest towards this subject has increased since the European Union enforced lower limits of exposure to noise in work environments and also to environmental noise in the proximity of airports. In the field of computational aeroacoustics, hybrid methods for noise prediction are considered particularly suitable for use in an automated design procedure due to their low computational cost. In fact they split the description of the flow field, which is made by computational fluid dynamics, from the quantification of the source of noise and of its propagation, obtained by using analytic formulations. Such analytic methods have already been used successfully for the prediction of the noise emitted by an airfoil placed in a turbulent flow; it is therefore natural to try to extend their applicability to the case of rotating blades. Two application cases have been chosen for this thesis. The first one is the 4.2 m diameter counter-rotating fan of the von Karman Institute (VKI) L1 low-speed wind tunnel, which is used to study the phenomenon of wake-interaction tonal and broadband noise. The second application case is a four-bladed low-speed ventilation fan in which the dominant source of noise is the trailing-edge or self-noise caused by the turbulent eddies passing over the trailing-edge of the blade. In this case, an experimental database has been made available by CETIAT, France, in the framework of a collaborative project with VKI. The final step of the project will be to use the prediction codes developed for both the noise phenomena in the geometric optimization of the L1 counter-rotating fan. The fundamental question that will be addressed in the thesis is how to extend the hybrid CFD-analytic methods to predict noise from an airfoil in a uniform turbulent flow to the case of tonal and broadband wake-interaction noise and trailing-edge broadband noise in low-speed fans. It will be shown that it is possible to provide a fast and reasonably accurate prediction of the spectrum of noise emitted by low-speed fans by extracting flow data from Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations and using them as input to Amiet's analytic formulation, provided that this has been carefully adapted to the studied noise generation phenomenon, i.e. the interaction of the leading-edge of a fan blade with an incoming wake or of the trailing-edge with the turbulent boundary layer over the blade surface. Concerning the methodology, both noise generation mechanisms will first be modeled with analytic functions, then the necessary flow field input will be extracted from RANS simulations and the models will be validated with respect to experimental data, whenever possible, or to higher fidelity simulations. The last step of the project is the application of these noise prediction methods to the shape optimization of the L-1 fan blades by means of a genetic algorithm. The sensitivity analysis of the design parameters and of the constraints used in the optimization process provides a new perspective on the multi-objective efficiency-noise optimization approach which will be increasingly used in turbomachinery design in the future.

L’antennerie acoustique, aussi appelée formation de voies, est une technique d’identification acoustique basée sur un modèle de propagation analytique entre les sources de bruit et les microphones, la fonction de Green. Dans le cas de l’étude de sources aéroacoustiques en configuration réaliste, le milieu de propagation entre les sources et les microphones est la plupart du temps constitué d’un écoulement inhomogène et/ou d’une géométrie complexe. La fonction de Green n’est alors généralement pas connue et l’utilisation d’une fonction non adaptée conduit à une localisation ainsi qu’une mesure du niveau acoustique des sources erronées. L’objectif de cette thèse est le développement d’une méthode permettant d’estimer, grâce au code de propagation numérique de l’Onera résolvant les équations d’Euler (sAbrinA_v0), les composantes de la fonction de Green entre chaque point de focalisation (point source possible) et chaque microphone pour des cas de propagations complexes. Un seul calcul de propagation est effectué avec un ensemble de points sources positionnés en chacun des points de focalisation. La fonction de Green est ensuite estimée à partir de la résolution de problèmes inverses faisant intervenir les signaux sources et signaux calculés aux positions des microphones. Afin de valider l’approche, la formation de voies est ensuite mise en œuvre avec la fonction estimée, dans le but d’identifier des sources de bruit pour des cas 2D simples, puis des cas 2D avec un écoulement et/où une géométrie complexe. Les signaux microphoniques correspondant au rayonnement des sources à identifier sont obtenus analytiquement ou numériquement selon les cas. / The acoustic Beamforming, also called microphone array processing, is an acoustic identification technique based on an analytical propagation model between noise sources and microphones: the Green function. In the case of the study of aeroacoustic sources in realistic configuration, the propagation medium between sources and microphones is most often made up of an inhomogeneous flow and / or complex geometry. Green's function becomes then analytically difficult to determine and the use of an unsuitable function leads to spurious source localization and level measurement. The aim of this thesis is to overcome these difficulties by employing the Onera’s Euler solver sAbrinA_v0 to determine the Green's function components between each focus point (possible source point) and each microphone for complex cases. One propagation calculation is performed with a set of source points positioned in each of the focal points. The Green's function is then estimated from the resolution of inverse problems involving source signals and signals calculated at microphones position’s. To validate the approach, Beamforming is computed with the estimated function in order to identify noise sources for simple 2D case and 2D cases with a flow or/ with complex geometry. The microphone signals corresponding to the radiation of the sources to identify are obtained analytically or numerically depending on the case.