Numerical simulation of noise production and propagation is a very complex problem. A methodology fitting for one particular problem can fail for another one. So there are no general guidelines on how to deal with such phenomena. In the present work, noise propagated in non-uniform mean-flow is considered. For most cases, in the propagation field, there is a rather significant region where the mean flow is not uniform, but the sound production is negligible compared to the noise emitted by the source region. In this<p>nearfield, a linear set of propagation equations may be considered (LEE). For such problems, the following simulation methodology is proposed:<p>1. Incompressible/compressible LES simulation in the source region.<p>2. Linearized Euler Equations to propagate the noise through the nonlinear mean flow.<p>3. Kirchhoff method in the farfield, if necessary.<p>This thesis deals with the second item of this system (LEE), including interfacing with the other two steps. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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.

Le champ proche des jets est une zone où cohabitent des contributions de pression de nature hydrodynamique et acoustique. Leurs caractéristiques sont méconnues, conduisant à une définition controversée des frontières de cette région ainsi qu'à l'impossibilité d'y prédire les niveaux de pression effectivement rencontrés. Cette zone présente un fort intérêt pour l'étude de la dynamique du jet ainsi que pour celle du rôle que peuvent jouer les structures cohérentes dans les mécanismes de génération de bruit aéroacoustique. L'étude présentée ici porte sur un jet subsonique, de nombre de Mach Mj=0,3, et un jet supersonique, Mj=1,4. Elle s'appuie sur des mesures acoustiques en champs proche et lointain ainsi que des mesures de pression champ proche synchrones à des mesures de vitesse dans l'écoulement par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV). Une interaction forte entre les deux contributions de pression est mise en évidence par des pertes de cohérence importantes. Ce phénomène, dont un modèle est proposé, permet de définir précisément la frontière du champ proche par le produit du nombre d'onde et de la position radiale kr=1,3. L'analyse par décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD), sur la base de laquelle est également proposée une méthode de normalisation des données, montre le caractère très cohérent du champ de pression proche à basse fréquence ainsi que l'importance de la prise en compte des contributions azimutales. Une séparation des contributions hydrodynamique et acoustique de pression est obtenue grâce à un filtrage POD. La champ de pression instantanée est déterminé sur une surface entourant le jet grâce à une extension au domaine spectral de l'estimation stochastique linéaire (LSE). Ces données sont utilisées pour estimer le rayonnement acoustique du jet par une formulation intégrale de Kirchhoff ainsi que pour extraire la structuration tridimensionnelle de l'écoulement.

This work proposes to address the computation of flow-generated noise, including the high frequency components in an acceptable computational time, relative to industrial applications. In this framework, hybrid methods based on aeroacoustic analogies are relevant to predict the corresponding sound, in term of computational time and easy implementation, and are separating the sources of sound computation from the sound propagation itself. Both parts of the hybrid method are then investigated.<p><p>Firstly, the sources of sound should be computed accurately, reproducing most of the energy content of the turbulent flow. The present study is mainly based on LES computations, that are a good compromise between the accuracy and the time required to obtain the sources, especially for low Mach number application, where incompressible flow computations can be used. The influence of the computational parameters is then studied through the investigation of the influence of the boundary conditions, flow solver, mesh refinement, LES subgrid-scale model and computational domain definition. <p><p>Secondly, the sound sources propagation is computed using classical analogies based most of the time on free field Green's functions. They are limited to the low frequency range of the emitted sound spectrum, where the source is compact, if incompressible acoustic sources are used. They are then proposed to be combined with Amiet's theory for airfoil noise to cover the remaining high frequency part of the sound spectrum. The limitations of Amiet's theory are analysed through the geometrical and acoustical far-field assumptions. Furthermore, an inverse strip method is proposed to extend Amiet's theory to spanwise varying flow conditions and taking correctly into account the spanwise wave number effects. <p><p>The leading-edge noise mechanism is studied through the interaction of the turbulent region of a jet with a NACA0012 airfoil. The hybrid method, consisting in an incompressible LES computation combined with Curle's analogy, showed its limitation to the low frequency range of the sound spectrum when low-order CFD are used. The Amiet's theory, based on the modelisation of the upstream velocity spectrum, provides a good sound prediction at high frequency, as far as the airfoil thickness is accounted for. <p><p>The Trailing-edge noise mechanism is studied through the flow around a mid-span cut of a blade (CD airfoil) of an automotive cooling fan. <p>Three different acoustic methods are used :Curle's analogy is using wall-pressure fluctuations over the airfoil surface, Ffowcs-Williams and Hall's analogy is using volumetric velocity informations around the trailing-edge and Amiet's theory for trailing-edge noise is using the wall-pressure spectrum around the trailing-edge and the corresponding spanwise correlation. The methods using wall-pressure informations are shown to directly transfer the informations of the wall-pressure spectrum to the sound spectrum. Differences are appearing in the higher frequency range where the airfoil starts to be non compact, invalidating the use of Curle's analogy at such frequencies compared to the other methods, taking scattering effects into account implicitly in their formulations. <p><p>Finally, in order to reduce the computational cost, Amiet's theory for trailing-edge noise is proposed to be driven from steady RANS computations. Two methods to compute the wall-pressure spectrum from boundary-layer informations are studied. Their respective robustness and reliability are analysed in an uncertainty quantification framework, in case of varying velocity profiles upstream the airfoil. Both models showed similar results and tendency compared to the wall-pressure LES spectrum, as far as the flow topology remains similar. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette étude s'inscrit dans le cadre du contrat franco-allemand DEUFRAKO K2 associant la SNCF et la DEUTSCH BAHN sur l'étude du bruit généré par les trains à grande vitesse. Une cavité rectangulaire peu profonde est d'abord placée dans une soufflerie bas-bruit. Les visualisations pariétales de l'écoulement et les mesures anémométriques montrent que l'écoulement se rattache sur le fond de la cavité et décolle à nouveau au passage du bord aval. Les plus fortes fluctuations de pression pariétale instationnaire (mesurées par microphones) sont aussi observées au niveau du bord aval, région dans laquelle l'intensimétrie 3D localise principales sources acoustiques. Le rayonnement acoustique révèle un spectre large bande sans phénomène de couplage entre les champs aérodynamique et acoustique. Une maquette réaliste de la baignoire à l'échelle 1/7e a ensuite été conçue et placée dans une soufflerie subsonique. Des visualisations pariétales de l'écoulement montrent une structure d?écoulement 3D très complexe. Les mesures de fil chaud indiquent une plongée très rapide de la couche de cisaillement amont vers le fond de la baignoire ainsi qu'un jet vertical intense au niveau du bord aval. Les coefficients de pression en paroi restent quasiment uniformes dans la baignoire. L'analyse spectrale révèle deux régions comportant des modes de résonance auxquels s'ajoute le STROUHAL des pantographes. L'influence des pantographes est enfin simulée via leur modélisation par deux cylindres circulaires, d'écartement et d'incidence variables, placés dans la soufflerie bas-bruit. Les expériences dévoilent de forts couplages aéroacoustiques non-linéaires (feedback) évoluant suivant ces deux paramètres. Les analyses spectrale et bispectrale de la pression acoustique mesurée en champ lointain (microphone) ainsi que les visualisations et les champs de vitesses obtenus par PIV contribuent à l'interprétation de ces phénomènes. Les expériences de chaque étude sont comparées à des simulations numériques.

The evaluation of the noise produced by flows has reached a high level of importance in the past years. The physics surrounding flow-induced noise is quite complex and sensitive to various flow conditions like temperature, shape. Empirical models were built in the past for some special geometries but they cannot be used in a general case for a shape optimization for instance. Experimental aeroacoustic facilities represent the main tool for acoustic analyses of flow fields, but are quite expensive because extreme care must be exercised not to introduce acoustic perturbations in the flow (silent facilities). These tools allow a good analysis of the physical phenomena responsible for noise generation in the flow by a comparison of the noise sources and the flow characteristics (pressure, turbulence,). Nevertheless, the identification and location of noise sources to compare with flow structures requires quite complex methods.<p><p>The numerical approach complements the experimental one in the sense that the flow characteristics are deeply analyzed where experiments suggest noise production. For the numerical approach, the turbulence modeling is quite important. In the past, some models were appreciated for their good prediction of some aerodynamic parameters as lift and drag for instance. The challenge is now to tune these models for a correct prediction of the noise sources. In the low subsonic range, the flow field is completely decoupled from acoustics, and noise sources can be computed from a purely hydrodynamic simulation before this information is transferred to an acoustical solver which will compute the acoustic field at the listener position. This post processing of the aerodynamic results is not obvious since it can introduce non-physical noise into the solution.<p><p>This project considers the aspect of noise generation in turbulent jets and especially the noise generated by vortex pairing, as it occurs for instance in jet flows. The axisymmetric version of the flow solver SFELES has been part of this PhD research, and numerical results obtained on the jet are similar to the experimental values. Analyses performed on the numerical results are interesting to go to complete turbulence modeling for aeroacoustics since vortex pairing is one of the basic acoustical processes in vortex dynamics.<p><p>Currently, a standard static Smagorinski model is used for turbulence modeling. However, this model has well known limitations, and its influence on the noise sources extracted from the flow field is not very clear. For this reason, it is planned to adopt a dynamic procedure in which the subgrid scale model automatically adapts to the flow. We planned also to perform simulations with the variational multiscale approach to better simulate the different interactions between large and unresolved scales. The commercial software ACTRAN distributed by Free Field Technologies is used for the computation of sound propagation inside the acoustic domain. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished