La réduction du bruit généré par les ventilateurs est un enjeu majeur pour les industriels, car cette pollution sonore agit directement sur le confort des personnes qui se trouvent à proximité et parce qu'un ventilateur faisant du bruit est souvent synonyme d'un mauvais rendement. Dans le cas des machines tournantes basse vitesse comme les ventilateurs axiaux, le bruit propre de la pale est prédominant, en particulier le bruit généré par la distorsion de structures tourbillonnaires générant des ondes acoustiques diffractées aux bords d'attaque et de fuite. Les recherches présentées dans ce mémoire de maîtrise s'inscrivent dans la tâche n°3 du projet FQRNT équipe qui consiste en la réduction passive du bruit rayonné par les ventilateurs basse vitesse et sont axées sur l'utilisation de matériaux poreux. Afin de répondre aux objectifs du sujet, une maquette modulable, basée sur un profil industriel de type compresseur ou ventilateur axial, permet de tester plusieurs configurations en appliquant différents matériaux poreux au bord de fuite. Des mesures d'acoustique en champ lointain, de directivité et de pression pariétale sont effectuées dans la soufflerie anéchoïque du GAUS. La mesure des pressions statiques permet également de déterminer l'influence des traitements sur la charge du profil. Enfin, des mesures au fil chaud permettent de caractériser l'écoulement dans le sillage et les couches limites. Les matériaux les plus résistifs s'avèrent être les plus efficaces et permettent des réductions en champ lointain allant jusqu'à 7 dB.

Les nuisances sonores sont devenues une importante préoccupation environnementale. L'accroissement des exigences de confort et le durcissement des réglementations européennes et mondiales ont rendu la réduction du bruit aérodynamique des turbomachines un enjeu primordial pour plusieurs industries. Ce travail a pour objectif principal le développement d'outils de modélisation de la composante à large bande du bruit des ventilateurs de façon à l'intégrer comme critère d'optimisation dès leur phase de conception. L'étude est concentrée sur les deux sources reconnues pour leurs contributions significatives dans le bruit rayonné : l'interaction des pales avec l'écoulement turbulent amont et la diffraction de la couche limite turbulente au niveau du bord de fuite. Dans un premier temps, une approche reposant sur la formulation analytique d'Amiet pour la prédiction du bruit d'un profil isolé disposé dans un écoulement turbulent est mise en oeuvre. L'effet de l'épaisseur n'est pas pris en compte dans la formulation initiale d'Amiet. Une correction gaussienne a été proposée sur la base des travaux de Gershfeld améliorant ainsi considérablement les résultats de calculs. Une extension vers la turbomachine est ensuite proposée et validée expérimentalement. Un ventilateur axial est disposé à l'amont de différents écoulements incidents turbulents générés par cinq dispositifs de contrôle de turbulence. La turbulence incidente est caractérisée par le modèle spectral de von Kármán à partir des mesures à fils chauds. La confrontation des spectres de puissance acoustique calculés à ceux mesurés donne un accord satisfaisant sur une large bande fréquentielle audible. Dans la deuxième partie, une modélisation hybride combinant des Simulations des Grandes Echelles avec une solution intégrale dans le domaine temporel de l'analogie de Ffowcs Willimas & Hawkings est développée. Une validation complétée par une étude des erreurs numériques du code acoustique développé sur la base de la formulation intégrale 1A de Farassat avec une surface perméable de Di Francescontonio a été réalisée. Les simulations LES bidimensionnelles de l'écoulement turbulent autour d'un profil ont reproduit la transition de la couche limite turbulente et le détachement tourbillonnaire au bord de fuite. L'analyse des spectres de pression pariétale a révélé que l écoulement amont a un important effet sur les fluctuations de pression pariétale et leurs localisations.

Les nuisances sonores sont devenues une importante préoccupation environnementale. L'accroissement des exigences de confort et le durcissement des réglementations tant européennes que mondiales ont rendu la réduction du bruit aérodynamique des turbomachines un enjeu primordial pour de nombreuses industries. Ce travail a pour objectif principal le développement d'outils de modélisation de la composante à large bande du bruit des ventilateurs de façon à l'intégrer comme critère d'optimisation dès leur phase de conception. L'empilement (dévers) étant connu pour avoir une influence sur les émissions acoustiques des ventilateurs, trois ventilateurs à empilements différents seront comparés tout au long de ce mémoire. Un banc d'essai permettant l'acquisition des pressions moyennes et instationnaires sur les pales des ventilateurs est conçu puis fabriqué. Ces données sont nécessaires comme entrées d'un modèle de prévision du bruit de bord de fuite. Les spectres de pressions mesurés sont comparés à différents modèles puis utilisés pour obtenir le spectre acoustique en champ lointain à partir du modèle d'Amiet de bord de fuite. Ce modèle prévu pour un profil fixe est adapté pour un ventilateur. Puis une simulation numérique RANS avec modèle de turbulence du deuxième ordre, de ces trois ventilateurs, est réalisée afin d'obtenir : les performances globales des ventilateurs à différents débits, la morphologie de l'écoulement notamment les profils des vitesses aval, les composantes du tenseur des contraintes de Reynolds, les champs de pression sur les pales et les variables de la couche limite. Toutes ces données sont comparées avec différentes mesures sur un banc normalisé permettant la mesure du débit de fonctionnement

Le bruit de bord de fuite à large bande est l'un des contributeurs principaux du bruit des soufflantes de turboréacteurs modernes. La double nécessité de mieux comprendre sa génération et de le réduire a suscité le présent travail, essentiellement expérimental. L'étude se focalise sur l'effet de grille provoqué par la diffraction des ondes acoustiques sur les aubes adjacentes. Une grille d'aubes linéaire de solidité 1,43 est instrumentée et adaptée à la mesure acoustique dans le secteur aval pour plusieurs vitesses d'écoulement et plusieurs angles d'attaque. Le bruit de bord de fuite de la grille d'aubes prédomine ainsi sur une large gamme de fréquence. L'effet de grille se manifeste à travers des résonances dans la grille, des interférences dans le champ lointain et à travers la dépendance en vitesse des spectres acoustiques. Les données d'entrée de modèles analytiques décrivant statistiquement la turbulence des couches limites sont directement mesurées sur les aubages. Le modèle de bruit de profil isolé d'Amiet fournit une estimation convenable des niveaux de bruit suggérant que la déformation des spectres par l'effet de grille est de faible amplitude. Nous avons ensuite adapté à la configuration expérimentale le modèle de Glegg qui tient compte des interactions entre pales. Il fournit des estimations de spectres acoustiques s'écartant de 3 dB de la prédiction de profil isolé, confirmant la conclusion précédente. Cependant ce dernier modèle décrit mieux les interférences observées en champ lointain. La réduction du bruit de bord de fuite est ensuite abordée, dans un premier temps sur profil isolé au moyen de brosses insérées au bord de fuite. Une réduction de 4,5 dB est ainsi obtenue sur une large gamme de fréquences. Une étude de corrélation aérodynamique aux fils chauds dans le sillage des brosses montre qu'elles décorrèlent les structures turbulentes dans la direction de l'envergure ce qui peut expliquer partiellement la réduction du bruit observée. Dans un deuxième temps, des chevrons dessinant des dents de scie dans la direction de l'envergure sont appliqués aux bords de fuite de la grille d'aubes. Nous retrouvons alors les observations faites avec ces dispositifs sur les profils isolés. Aucun effet de couplage entre la réduction du bruit et l'effet de grille n'est observé. Des mesures de vélocimétrie par images de particules dans le sillage des chevrons montrent que la couche limite de l'extrados est éloignée de la surface du profil fournissant un mécanisme admissible de réduction du bruit. Un deuxième mécanisme crédible est la décorrélation dans la direction de l'envergure de la nappe de vorticité lâchée dans le sillage suite à la condition de Kutta. Enfin, nous étudions l'effet de l'inclinaison du bord de fuite par rapport 'a l'écoulement et montrons par une prise en compte de cette géométrie dans le modèle d'Amiet qu'il peut également aboutir à une réduction acoustique.

Ce travail porte sur l'étude expérimentale des mécanismes de génération de bruit de bord de fuite, notamment large bande, résultant de la diffraction des ondes hydrodynamiques sur le bord effilé d'un profil en écoulement en vue de leur modélisation. A cet effet, l'examen détaillé de la dynamique des grandeurs aérodynamiques caractéristiques du phénomène (fluctuations de la pression pariétale et de la vitesse) a été mené au voisinage proche d'un profil d'aile de type Naca 0012. Il a ainsi été possible de déterminer expérimentalement la statistique du champ de pression pariétale, et notamment le spectre en nombres d'ondes des fluctuations de pression pariétale représentatif de la dynamique de la turbulence dans la couche limite, donnée essentielle à l'évaluation du champ acoustique rayonné. Des modèles de la statistique du champ de pression pariétale tirés de la littérature (Corcos, Chase) ont ensuite pu être calés et validés, et finalement utilisés pour la modélisation du bruit de bord de fuite du profil.<br /><br />Enfin, des mesures de la pression acoustique rayonnée réalisées en soufflerie anéchoïque ont permis de préciser les potentialités et limitations du modèle aéroacoustique développé. Le modèle statistique de pression pariétale proposé par Chase s'est avéré à même de représenter correctement l'influence des principaux paramètres du problème (nombre de Reynolds, incidence du profil), de même qu'il a clairement été mis en évidence la nécessité de prendre correctement en compte la condition de Kutta.

Le bruit tonal rayonné au bord de fuite des profils à faible nombre de Reynolds est un phénomène observé sur les ailes de drones ou micro-drones qui sont utilisés partout dans la vie quotidienne. La diminution de ce bruit va augmenter la survivabilité et l'efficacité des appareils dans le domaine militaire. De plus, cela va augmenter le champ des applications civiles et minimiser la pollution par le bruit. La réduction efficace du bruit est indispensable et, par conséquent, une compréhension complète du processus de rayonnement du bruit tonal du profil est nécessaire. Malgré le fait que des essais dédiés aient été réalisés depuis les années 70, il reste beaucoup de détails à expliquer. Le travail présenté est dédié à une étude expérimentale et analytique du bruit tonal. C'est une partie de collaboration entre l'Ecole Centrale de Lyon et Embry- Riddle Aeronautical University. Le but est de réaliser une caractérisation exhaustive des paramètres acoustiques et aérodynamiques du bruit tonal de bord de fuite d'un profil et de produire une base de données qui pourra être utilisée pour valider les simulations numériques réalisées dans le futur. Le profil symétrique NACA-0012 ainsi que le profil asymétrique SD7003 ont été testés pour une série d'angles d'incidence (de -10° à 10°) dans la soufflerie anéchoïque à jet ouvert de l'Ecole Centrale de Lyon pour des nombres de Reynolds modérés (0.6x105 < Rec < 2.6x105). Les mesures de pression aux parois et de pression acoustique en champ lointain pour différentes configurations ont permis d'observer une structure en escalier de la signature du bruit, de déterminer quelle face du profil a produit le bruit et de distinguer le rôle de la boucle de rétroaction. Des techniques supplémentaires de post-traitement comme l'analyse temps-fréquence ont montré l'existence de plusieurs régimes (un régime de commutation entre deux états, un régime d'une seul fréquence et un régime à plusieurs fréquences) de l'émission de bruit. L'analyse de bi-cohérence a montré qu'il y a des couplages nonlinéaires entre les fréquences. Une étude par l'anémométrie à fil chaud et par des techniques de visualisation de l'écoulement a montré que la formation d'une bulle de décollement est une condition nécessaire mais pas suffisante pour la génération du bruit. De plus, la localisation de la bulle est aussi importante et elle doit être suffisamment proche du bord de fuite. En outre, l'analyse de stabilité linéaire des résultats de simulations numériques a montré que des ondes de Tollmien-Schlichting sont transformées en ondes de Kelvin-Helmholtz dans la zone du décollement. Une prédiction analytique de l'amplitude des fréquences pures émises dans le champ lointain a été effectuée sur la base du modèle d'Amiet en supposant que le champ de pression pariétal est bidimensionnel. Les mesures de pression proches du bord de fuite du profil ont été prises comme données d'entrée. Les amplitudes prédites sont globalement en accord avec les mesures acoustiques. Après l'analyse de tous les résultats la description suivante du processus de rayonnement de sons purs peut être proposée. Les ondes de Tollmien-Schlichting qui se développent initialement dans la couche limite se transforment en ondes de Kelvin-Helmholtz le long de la couche de cisaillement de la bulle de décollement. Au bord de fuite du profil elles sont converties en ondes acoustiques qui forment un couplage fort avec les instabilités de couche limite plus en amont de l'écoulement, pilotant elles-mêmes le déclenchement de ces instabilités. / The tonal trailing-edge noise generated by transitional airfoils is a topic of interest because of its wide area of applications. One of them is the Unmanned Air Vehicles operated at low Reynolds numbers which are widely used in our everyday life and have a lot of perspectives in future. The tonal noise reduction will increase the survivability and effectiveness of the devices in military field. Moreover it will enlarge the range of civil use and minimize noise pollution. The effective noise reduction is needed and therefore the complete understanding of the tonal noise generation process is necessary. Despite the fact that investigation of the trailing-edge noise was started since the seventies there are still a lot of details which should be explained. The present work is dedicated to the experimental and analytical investigation of the tonal noise and is a part of the collaboration project between Ecole Centrale de Lyon and Embry-Riddle Aerospace University. The aim is to conduct an exhaustive experimental characterization of the acoustic and aerodynamic parameters of the trailing-edge noise and to produce a data base which can be used for further numerical simulations conducted at Embry-Riddle Aerospace University. A symmetric NACA-0012 airfoil and a slightly cambered SD7003 airfoil at moderate angles of attack (varied from -10° à 10°) were tested in an open-jet anechoic wind tunnel of Ecole Centrale de Lyon at moderate Reynolds numbers (0.6x105 < Rec < 2.6x105). Measurements of the wall pressure and far-field acoustic pressure in different configurations allowed to observe the ladder-type structure of the noise signature, to determine which side produced tones and to distinguish the role of the acoustic feedback loop. Additional post-processing techniques such as time-frequency analysis showed the existence of several regimes (switching regime between two tones, one-tone regime and multiple-tones regime) of noise emission. The bicoherence analysis showed that there are non-linear relationships between tones. The investigation of the role of the separation area by hot-wire anemometry and flow visualization techniques showed that the separation bubble is a necessary but not a suficient condition for the noise generation. Moreover the location of the bubble is also important and should be close enough to the trailing edge. Furthermore the linear stability analysis of accompanying numerical simulation results showed that the Tollmien-Schlichting waves transform to the Kelvin-Helmholtz waves at the separation area. An analytical prediction of the tone levels in the far-field was done using Amiet's model based on the assumption of perfectly correlated sources along the span. The wall-pressure measurements close to the trailing edge were used as an input data. The comparisons of the predicted levels and measured ones showed a good agreement. After analysis of all results the following description of the tonal noise mechanism is proposed. At some initial point of the airfoil the Tollmien-Schlichting instabilities start. They are traveling downstream and continued to Kelvin-Helmholtz waves along the shear-layer of the separation bubble. These waves reach the trailing edge, scatter from it as acoustic waves, which move upstream. The acoustic waves amplify the boundary layer instabilities at some frequencies for which the phases of both motions match and creates the feedback loop needed to sustain the process.

Le bruit de bord de fuite à large bande est l’un des contributeurs principaux du bruit des soufflantes de turboréacteurs modernes. La double nécessité de mieux comprendre sa génération et de le réduire a suscité le présent travail, essentiellement expérimental. L’étude se focalise sur l’effet de grille provoqué par la diffraction des ondes acoustiques sur les aubes adjacentes. Une grille d’aubes linéaire de solidité 1,43 est instrumentée et adaptée à la mesure acoustique dans le secteur aval pour plusieurs vitesses d’écoulement et plusieurs angles d’attaque. Le bruit de bord de fuite de la grille d’aubes prédomine ainsi sur une large gamme de fréquence. L’effet de grille se manifeste à travers des résonnances dans la grille, des interférences dans le champ lointain et à travers la dépendance en vitesse des spectres acoustiques. Les données d’entrée de modèles analytiques décrivant statistiquement la turbulence des couches limites sont directement mesurées sur les aubages. Le modèle de bruit de profil isolé d’Amiet fournit une estimation convenable des niveaux de bruit suggérant que la déformation des spectres par l’effet de grille est de faible amplitude. Nous avons ensuite adapté à la configuration expérimentale le modèle de Glegg qui tient compte des interactions entre pales. Il fournit des estimations de spectres acoustiques s’écartant de 3 dB de la prédiction de profil isolé, confirmant la conclusion précédente. Cependant ce dernier modèle décrit mieux les interférences observées en champ lointain. La réduction du bruit de bord de fuite est ensuite abordée, dans un premier temps sur profil isolé au moyen de brosses insérées au bord de fuite. Une réduction de 4,5 dB est ainsi obtenue sur une large gamme de fréquences. Une étude de corrélation aérodynamique aux fils chauds dans le sillage des brosses montre qu’elles décorrèlent les structures turbulentes dans la direction de l’envergure ce qui peut expliquer partiellement la réduction du bruit observée. Dans un deuxième temps, des chevrons dessinant des dents de scie dans la direction de l’envergure sont appliqués aux bords de fuite de la grille d’aubes. Nous retrouvons alors les observations faites avec ces dispositifs sur les profils isolés. Aucun effet de couplage entre la réduction du bruit et l’effet de grille n’est observé. Des mesures de vélocimétrie par images de particules dans le sillage des chevrons montrent que la couche limite de l’extrados est éloignée de la surface du profil fournissant un mécanisme admissible de réduction du bruit. Un deuxième mécanisme crédible est la décorrélation dans la direction de l’envergure de la nappe de vorticité lâchée dans le sillage suite à la condition de Kutta. Enfin, nous étudions l’effet de l’inclinaison du bord de fuite par rapport à l’écoulement et montrons par une prise en compte de cette géométrie dans le modèle d’Amiet qu’il peut également aboutir à une réduction acoustique. / Broadband trailing edge noise is one of the main contributors to modern turbofan noise. The current need for both understanding and reducing those sources motivated the present work.This study focuses on the cascade effect which is produced by the scattering of acoustic waves on neighbouring blades. A seven blade linear cascade is set up for acoustic measurements in the downstream sector with varying speed and angle of attack. Broadband trailing edge noise is thus the main noise source in the facility on a wide frequency range. Acoustic resonances in the cascade and far field interferences as well as specific velocity dependence are proofs of the sought blade interactions. To give a more quantitative insight in the cascade effect, Amiet isolated airfoil trailing edge noise model is first used. Its input data which are a statistical description of the turbulent boundary layer are directly measured on the suction surface of the center blade. The noise levels are fairly well predicted suggesting that the cascade effect only moderately affects the far-field acoustic spectra. Glegg’s cascade model is then modified to fit the experimental set-up and used with the same input data. The estimates differ from the isolated airfoil predictions from ±3dB confirming the preceding conclusions. However far field interferences are well recovered by Glegg’s model. Noise reduction is then assessed in this study. First, brushes are inserted in an isolated airfoil trailing edge and a broadband noise reduction of 4,5 dB is obtained. A hot wire coherence study is carried out in the near wake of the brush showing that spanwise decorrelation could be partly responsible for the observed noise reduction. Trailing edge serrations are finally applied on the cascade trailing edges and the same reduction potential than on isolated airfoil with the same device is recovered. This shows that the cascade effet has little influence on the noise reduction process. This mechanism is more likely to be threefold. Particle image velocimetry measurements show that the suction side boundary layer is thrown out from the airfoil surface which could result in smaller induced surface pressure. Secondly, the vorticity sheet shed in the wake because of the Kutta condition is necessarily less coherent in the spanwise direction with the serrations than with the straightedge. Last, the reduced relative angle between the flow and the local trailing edge could also theorically reduce the far-field noise. This has been investigated analytically by means of a modification of Amiet’s model to account for the sweep angle of the blade.

L'objectif de ce travail est de modéliser les sources et la propagation atmosphérique du bruit généré par les éoliennes afin de mieux comprendre les caractéristiques de ce bruit à grande distance et d'aider les fabricants d'éoliennes et les développeurs de parc à respecter la réglementation. En couplant des modèles physiques de source aéroacoustique et de propagation, nous sommes capables de prédire les spectres de bruit, ainsi que la directivité et les modulations d'amplitude associées, pour différentes conditions atmosphériques. Le bruit aérodynamique large bande, à savoir le bruit d'impact de turbulence,le bruit de bord de fuite et le bruit de décrochage, est généralement dominant pour les éoliennes modernes. Le modèle analytique d'Amiet est choisi pour prédire le bruit d'impact de turbulence et le bruit de bord de fuite, en considérant plusieurs améliorations par rapport à la théorie initial : 1, une correction empirique pour l'épaisseur du bord d'attaque est introduite dans le calcul du bruit d'impact de turbulence ; 2, un modèle spectral des fluctuations de pression pariétale proposé récemment pour un écoulement avec gradient de pression défavorable est utilisé dans le calcul du bruit de bord de fuite. Ces modèles sont validés par comparaison avec des mesures de la littérature en soufflerie avec des profils fixes.Le modèle d'Amiet est ensuite appliqué à une éolienne complète pour prédire le bruit émis en champ proche. L'effet de la rotation des pales et l'effet Doppler sont pris en compte. On utilise d'abord des profils de vent constant sans turbulence, puis l'effet du cisaillement du vent et de la turbulence atmosphérique sont inclus à l'aide de la théorie de la similitude de Monin-Obukhov. De bons accords sont obtenus avec des mesures sur site éolien lorsque l'on considère à la fois les bruits de bord de fuite et d'impact de turbulence. On retrouve à l'aide du modèle les caractéristiques classiques du bruit des éoliennes, comme la directivité et les modulations d'amplitude. Des comparaisons avec un modèle semi-empirique montrent que le bruit de décrochage peut être significatif dans certains conditions.L'étape suivante consiste à coupler la théorie d'Amiet avec des modèles de propagation pour estimer le bruit à un récepteur en champ lointain. On étudie dans un premier temps un modèle analytique de propagation en conditions homogènes au-dessus d'un sol d'impédance finie. On montre que l'effet de sol modifie la forme des spectres de bruit, et augmente les modulations d'amplitude dans certains tiers d'octave. Dans un second temps, une méthode pour coupler le modèle de source à un code d'équation parabolique est proposée et validée pour prendre en compte les effets de réfraction atmosphérique. En fonction de la direction de propagation, les niveaux de bruit varient car l'effet de sol est influencé par les gradients de vent et car une zone d'ombre est présente dans la direction opposée au vent. On discute pour finir l'approximation de source ponctuelle à l'aide des modèles de propagation analytique et numérique. / The purpose of this work is to model wind turbine noise sources and propagation in the atmosphere in order to better understand the characteristics of wind turbine noise at long range and to help wind turbine manufacturers and wind farm developers meet the noise regulations. By coupling physically-based aeroacoustic source and propagation models, we are able to predict wind turbine noise spectra, directivity and amplitude modulation in various atmospheric conditions.Broadband noise generated aerodynamically, namely turbulent inflow noise, trailing edge noise and separation/stall noise, is generally dominant for a modern wind turbine. Amiet's analytical model is chosen to predict turbulent inflow noise and trailing edge noise, considering several improvements to the original theory: 1, an empirical leading edge thickness correction is introduced in the turbulent inflow noise calculation; 2, a wall pressure fluctuation spectrum model proposed recently for adverse pressure gradient flow is used in the trailing edge noise predictions. The two models are validated against several wind tunnel experiments from the literature using fixed airfoils.Amiet's model is then applied on a full-size wind turbine to predict the noise emission level in the near field. Doppler effect and blade rotation are taken into account. Cases with constant wind profiles and no turbulence are used first, then wind shear and atmospheric turbulence effects obtained from Monin-Obukhov similarity theory are included. Good agreements against field measurements are found when both turbulent inflow noise and trailing edge noise are considered. Classical features of wind turbine noise, such as directivity and amplitude modulation, are recovered by the calculations. Comparisons with a semi-empirical model show that separation noise might be significant in some circumstances.Next, Amiet's theory is coupled with propagation models to estimate noise immission level in the far-field. An analytical model for the propagation over an impedance ground in homogeneous conditions is studied first. The ground effect is shown to modify the shape of the noise spectra, and to enhance the amplitude modulation in some third octave bands. A method to couple the source model to a parabolic equation code is also proposed and validated to take into account atmospheric refraction effects. Depending on the propagation direction, noise levels vary because the ground effect is influenced by wind shear and a shadow zone is present upwind. Finally, the point source assumption is reviewed considering both the analytical and numerical propagation models.