Cette étude s’inscrit dans le domaine de la réduction du bruit des avions et plus précisément du bruit de jet représentant la première source de bruit au décollage. Les travaux de thèse consistent en l’identification et l’analyse des mécanismes de génération du bruit de jet à partir de résultats expérimentaux et de simulations numériques. La démarche a porté dans un premier temps sur l’analyse de la structure du champ de pression proche d’un jet chaud subsonique turbulent à partir de données expérimentales acquises au moyen d’une antenne azimutale de microphones. Dans un second temps, une simulation numérique par l’approche LES, avec déclenchement de la turbulence, reproduisant la configuration expérimentale a été mise en place et validée dans le but de poursuivre l’analyse des données expérimentales. L’analyse des données issues de la simulation a permis de relier, au moyen de calculs de corrélation, les comportements identifiés dans le champ proche à des ondes de pression se développant dans la couche de cisaillement et se propageant vers la fin du cône potentiel. Cette analyse a également mis en avant le caractère intermittent du rayonnement acoustique dans la direction aval, direction pour laquelle l’énergie acoustique est maximale, ce caractère intermittent provenant des structures cohérentes se développant dans la couche de cisaillement. L’analyse réalisée à partir des données de la simulation serait utilement complétée par des calculs de cohérences entre le champ aérodynamique et le champ acoustique à partir de signaux expérimentaux provenant de mesures synchronisées. / This study falls within the field of aircraft noise reduction and more precisely jet noise as it represents the main noise source during take-off. The present work consists in the identification and the analysis of the jet noise source mecanisms using experimental results and numerical simulation. First, an analysis of the near field pressure of a hot subsonic turbulent jet has been done from experimental data acquired with an azimuthal array of microphones. Secondly, in order to continue the analysis, a numerical simulation using the LES approach with turbulence triggering reproducing the experimental configuration has been set up and validated. The data obtained from the simulation enable to link the highlighted behaviours in the near field to pressure waves developping in the shear layer and propagating toward the potential core end, through correlation calculations. The intermittency of the downstream acoustic radiation, i.e. the main direction of radiation, has been evidenced and related to the coherent structures developping in the shear layer. To deepen the analysis, it would be interesting for instance to calculate spectral coherence between the aerodynamic and the acoustic fields from synchronised measurements.

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 paletourbillon. 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. / No abstract

Des sons auto-entretenus peuvent être générés par l'interaction d'un jet plan avec une plaque fendue, et se coupler avec les résonances acoustiques du conduit de soufflage. L'étude s'intéresse aux conditions optimales de production de la source aéroacoustique ainsi créée et à l'influence du couplage sur cette production. Un dispositif expérimental, basé essentiellement sur des mesures microphoniques et vélocimétriques est utilisé. Il est associé à un modèle basé sur la théorie du son tourbillonnaire (``vortex-sound''). Des informations obtenues expérimentalement sur la convection des tourbillons et leur synchronisation avec le champ acoustique permettent de compléter les données d'entrée du modèle. Une loi d'évolution de la fréquence d'émission de type ``Rossiter'' est également obtenue expérimentalement. Les résultats de modélisation permettent d'interpréter cette loi d'évolution comme la condition optimale de production de la source aéroacoustique. Le couplage entre cette source et les résonances du conduit de soufflage est également étudié. Il se fait avec les modes plans du conduit lorsque l'angle d'inclinaison de l'obstacle par rapport à la sortie du jet est faible et avec des modes non-plans dans le cas contraire. L'influence de l'admittance d'entrée du conduit sur le couplage est de plus mise en évidence dans le cas plan. Finalement, l'évolution des fréquences d'émission mesurée est expliquée par un compromis entre les conditions optimales de production de la source aéroacoustique et les conditions optimales de couplage avec le conduit de soufflage.

Dans les turbomachines, le bruit du volume tournant est considéré comme une source majeure d’inconfort. La connaissance et l’identification des sources de bruit du rotor sont primordiales pour la conception d’une machine silencieuse et énergétiquement plus efficace. Ce document examine la capacité à la fois de la décomposition orthogonale aux valeurs (POD) et la décomposition aux valeurs singulières (SVD) à identifier les zones sur la surface d’une source (pale de ventilateur) fixe ou en mouvement subsonique qui contribuent le plus à la puissance acoustique rayonnée. La méthode de calcul de la dynamique des fluides (CFD) du code source OpenFoam est utilisée comme une première étape pour évaluer le champ de pression à la surface de la pale en mouvement subsonique. Les fluctuations de ce champ de pression permettent d’estimer à la fois le bruit de charge et la puissance sonore qui est rayonnée par la pale basée sur l’analogie acoustique de Ffowcs Williams et Hawkings (FW&H). Dans une deuxième étape, le bruit de charge estimé est également utilisé tant pour les approches POD et SVD. On remarque que la puissance sonore reconstruite par les deux dernières approches en se fondant uniquement sur les modes acoustiques les plus importants est similaire à celle prédite par l’analogie de FW&H. De plus, les modes les plus rayonnants estimés par la méthode SVD sont projetés sur la surface de la pale, mettant ainsi en évidence leurs emplacements. Il est alors prévu que cette identification soit utilisée comme guide pour l’ingénieur dans la conception d’une roue moins bruyante.

Cette thèse propose une modélisation du bruit d'origine aérodynamique, avec une attention particulière aux mécanismes de transfert d'énergie entre l'écoulement et le milieu de propagation. Une première partie aborde le problème de la création et du transport de l'énergie acoustique en milieu aérodynamique. Trois grands courants de pensée sont identifiés : l'approche eulérienne linéarise les équations valables en cas de fluide parfait pour former une loi de conservation ; l'approche dissipative développe les équations de Navier-Stokes, fait intervenir les fluctuations de vorticité comment moteur du mouvement acoustique ou décompose la quantité de mouvement en une théorie potentielle ; l'approche lagrangienne décrit le déplacement lagrangien de la perturbation qui suit le passage de l'onde acoustique. La première est la plus naturelle. La deuxième est la plus complète et la seule à expliquer la création d'énergie par l'aérodynamique. Une théorie générale voyant l'acoustique comme le seul champ généralisé qui se trouve piégé par l'aérodynamique en découle. La dernière est la plus prometteuse pour l'avenir. Dans une deuxième partie, les moyens permettant le calcul du champ acoustique à partir d'une sollicitation surfacique sont présentés. Il s'agit de la méthode d'extrapolation des ondes de Kirchhoff basée sur la pression, la formulation de Ffowcs-Williams & Hawkings basée sur les débits, et l'intégrale de Rayleigh basée sur une vitesse vibratoire. Une troisième partie de la thèse utilise les formalismes d'excitation surfacique pour étudier la réaction du milieu acoustique à des excitations génériques sous formes de paquets d'onde, représentatives de l'aérodynamique instationnaire. La réponse acoustique est caractérisée par la direction d'émission privilégiée du rayonnement et son efficacité, défini comme le taux de transfert d'énergie entre l'excitation et son milieu. On montre notamment que l'introduction d'une dissymétrie amont-aval dans l'excitation augmente fortement son efficacité, de même que la prise en compte d'un milieu de propagation en mouvement uniforme. Dans une dernière partie, ces considérations sont étendues au rayonnement d'une couche de mélange et adaptées en se basant sur l'analogie de Liepmann. Cette approche peu répandue est une intégrale de Rayleigh dont l'excitation est la dérivée temporelle de l'épaisseur de déplacement. Les résultats sont comparés avec la base de données d'une simulation acoustique directe et des deux autres méthodes surfaciques. La directivité n'est pas retrouvée par la modélisation proposée. On montre que la prédiction des niveaux nécessite de modéliser une impédance de rayonnement. / This study proposes a model for the noise generated aerodynamically, while focusing on energy transfer mechanisms between the main flow and the propagating medium. Energy harvest in aerodynamic condition is therefore the subject of a first part. Three general trends may be identified ; the eulerian approach uses linearized Euler's equations for inviscid flows in a form of a conservation law ; the dissipating approach expands Navier-Stokes equations in series, relies on vorticity fluctuations to excite the medium or splits velocity or momentum vectors in a general potential theory ; the lagrangian approach describes the lagrangian displacement of the perturbation inherent to an acoustic wave. The first approach is the most commonly adopted. The second one is the most complete and provides aerodynamical mechanisms for energy generation. A general fashion follows where acoustics is a generalized field, trapped by a hydrodynamic impedance. The last one may be subject of close attention for future considerations. In a second part, computational models are presented with their ability to predict acoustic radiation from a surface excitation. These are the Kirchhoff formalism based on the pressure, the Ffowcs Williams & Hawkings formalism based on the mass flow rate and the Rayleigh integral based on the vibration velocity. These are applied in a third part of the study to investigate the response of the acoustic medium to a generique excitation in the form of a wavepacket, representative of unsteady aerodynamics. Such acoustic response is caracterised by its direction of maximum radiation and its efficiency, defined as the rate of energy transfer between the excitation and its surrounding medium. Introducing an upstream-downstream asymmetry in the excitation is showed to significantly enhance its efficiency, as well as a convection velocity in the propagating medium. Within these general considerations, the last part of this study models acoustic excitation in a mixing layer flow based on Liepmann's analogy. This relatively unexplored theory consists in a Rayleigh integral excited by the temporal derivative of the displacement thickness. Results are compared with direct noise computation database and two other methods of surface excitation. Directivity is likely to be found while pressure amplitude is correctly predicted by using a model for radiation impedance.

Ce travail de thèse s'inscrit dans une problématique visant à étudier numériquement le bruit d'origine aérodynamique généré par les écoulements turbulents autour des véhicules en utilisant la méthode Boltzmann sur Réseau (LBM). Les objectifs de cette thèse sont l'étude des capacités aéroacoustiques de la LBM ainsi que l'élaboration d'un code de calcul tridimensionnel et parallèle.<br />Dans un premier temps, les élements historiques et théoriques de la LBM sont présentés ainsi que le développement permettant de passer de l'équation de Boltzmann aux équations de Navier-Stokes. La construction des modèles à vitesses discrètes est également décrite. Deux modèles basés sur des opérateurs de collision différents sont présentés : le modèle LBM-BGK et le modèle LBM-MRT. Pour l'étude des capacités aéroacoustiques de la LBM, une analyse de von Neumann est réalisée pour les modèles LBM-BGK et LBM-MRT ainsi que pour l'équation de Boltzmann à vitesse discrète (DVBE). Une comparaison avec les schémas Navier-Stokes d'ordre élevé est alors menée. Pour remédier aux instabilités numériques de la méthode Boltzmann sur Réseau intervenant lors de la propagation dans des directions particulières à M>0.1, des filtres sélectifs sont utilisés et leur effet sur la dissipation est étudié.<br />Dans un second temps, le code de calcul L-BEAM est présenté. La structure générale et les différentes techniques de calculs sont décrites. Un algorithme de transition de résolution est développé. La modélisation de la turbulence est abordée et le modèle de Meyers-Sagaut est implémenté dans le code. Enfin, des cas tests numériques sont utilisés pour valider le code et la simulation d'un écoulement turbulent complexe est réalisée.

La simulation numérique de la prévision du bruit aérodynamique par la résolution des<br />équations de Navier-Stokes demeure hors de portée des supercalculateurs pour les configurations industrielles. Le calcul aérodynamique local doit être relayé par une méthode<br />de propagation acoustique dans une zone où l'écoulement est inhomogène. La résolution<br />numérique des équations d'Euler en perturbation, discrétisée par une méthode des diffé-<br />rences finies d'ordre élevé stabilisée, autorise la propagation acoustique dans cette zone.<br />Plusieurs stabilisations sont étudiées. Une interface curviligne d'ordre élevé, basée sur une<br />interpolation de Lagrange dans un élément de référence, est développée afin de faciliter le<br />couplage Simulation des Grandes Echelles/Euler. Cette méthode numérique est appliquée<br />à l'étude du rayonnement de sources de bruit de la cavité de bec d'une aile hypersustentée,<br />en configuration d'approche, et, à la prévision du bruit rayonné par l'écoulement turbulent<br />autour d'une plaque plane.

L'objectif de la thèse consiste en l'étude expérimentale du rôle de la température sur le rayonnement acoustique des jets supersoniques.<br />Dans une première étude, on analyse de façon globale les effets de la température sur le bruit de cinq jets ayant des vitesses de jet parfaitement détendu identiques pour des températures différentes (niveau de puissance acoustique global, directivité et analyse spectrale). On examine ainsi les contributions acoustiques des diverses sources sonores en fonction de la température du jet. L'influence de celle-ci sur l'efficacité de la technique d'injection d'eau comme moyen de réduction sonore est par ailleurs étudiée sur ces jets.<br />On s'intéresse ensuite aux valeurs de températures moyennes et fluctuantes locales dans ce type de jets. Pour cela, on développe la méthode optique Schlieren basée sur des mesures de déviations angulaires de faisceaux lumineux à travers l'écoulement et permettant la mesure d'indices de réfraction. La température est obtenue à partir de l'inversion d'une équation intégrale type Abel, de la relation de Gladstone et de la relation d'état des gaz parfaits. Les températures quadratiques sont quant à elles estimées à l'aide de calculs statistiques sur les déviations angulaires mesurées. Cette méthode est dans un premier temps validée sur un écoulement subsonique pour lequel les mesures issues de la méthode optique sont comparées à celles obtenues avec un thermocouple. La méthode Schlieren est finalement appliquée sur les cinq jets dont les conditions sont proches de celles présentes sur les lanceurs spatiaux. Dans le cas du jet parfaitement détendu, les résultats ainsi obtenus sont comparés à des calculs numériques.

Pour réduire les nuisances sonores produites par un avion, les traitements acoustiques se doivent d'être réalisables par des matériaux caractérisés par des impédances complexes réglables.<br />L'objet de cette thèse est l'étude et le contrôle d'un modèle de perturbations aéroacoustiques d'un écoulement porteur stationnaire et subsonique, le système régi par les équations d'Euler linéarisées (EEL). Le but est de contrôler les phénomènes de propagations aéroacoustiques, générés dans un domaine (a priori infini) et localisés sur un observatoire spatio-temporel, en utilisant comme variables de contrôle des paramètres locaux d'impédances complexes caractérisant la frontière d'un obstacle solide situé à l'intérieur du domaine. En utilisant dans le cadre de l'aéroacoustique la théorie des systèmes de Friedrichs, et en classifiant les conditions aux limites admissibles à adjoindre au système des EEL, nous montrons le caractère bien posé sur un domaine spatio-temporel borné, d'un problème direct régissant les phénomènes physiques mis en jeu, ainsi que d'un problème adjoint rétrograde, étape indispensable à la résolution de problèmes inverses. <br />La méthode d'approximation choisie pour résoudre ces problèmes est une méthode de type Galerkine discontinue reposant sur un flux-splitting décentré en espace, combinée avec un schéma de type Runge-Kutta pour l'approximation temporelle. Comme toujours en propagations d'ondes, la simulation de l'espace libre est primordiale. Dans cette optique, une méthode PML adaptée aux EEL est proposée et numériquement validée.<br />Enfin, une attention toute particulière est portée à la signification physique de ce travail. Un modèle d'homogénéisation de matériaux poreux est utilisé, permettant de relier les variables de contrôle à des paramètres physiques caractérisant la faisabilité expérimentale de matériaux absorbants. Les résultats numériques obtenus sur un modèle académique de prise d'air, illustrent la nécessité de la mise en place de cette méthodologie pour résoudre les problèmes inverses en aéroacoustique dans toutes leurs complexités.

Cette thèse vise à étudier le couplage entre méthodes de Galerkine discontinue (DG) et méthodes de différences finies (DF) en maillages hybrides non structuré / cartésien, en vue d'applications en aéroacoustique numérique. L'idée d'une telle approche consiste à pouvoir tirer profit localement des avantages respectifs de ces méthodes, soit, en d'autres termes, à pouvoir prendre en compte la présence de géométries complexes par une méthode DG en maillage non structuré, et les zones qui en sont suffisamment éloignées par une méthode DF en maillage cartésien, moins coûteuse. Plus précisément, il s'agit de concevoir un algorithme d'hybridation de ces deux types de schémas pour l'approximation des équations d'Euler linéarisées, puis d'évaluer avec attention le comportement numérique des solutions qui en sont issues. De par le fait qu'aucun résultat théorique ne semble actuellement atteignable dans un cas général, cette étude est principalement fondée sur une démarche d'expérimentation numérique. Par ailleurs, l'intérêt d'une telle hybridation est illustré par son application à un calcul de propagation acoustique dans un cas réaliste