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.

RESUME : Les machines axiales à rotors contrarotatifs subsoniques sont une bonne solution pour les industries où de fortes élévations de pressions et d'efficacités sont nécessaires sans augmenter le diamètre ou la vitesse de rotation des rotors. Néanmoins, le comportement des CRS et les paramètres impactant ses performances ne sont pas encore totalement compris. Cette thèse mène une investigation expérimentale sur la performance et les paramètres influents sur un étage contrarotatif. La technique de design et les méthodes de mesure sont repris sur une thèse précédente réalisée au laboratoire Dynfluid (Arts et métiers ParisTech). Trois étages contrarotatifs ont été fabriqués (JW1, JW2 et JW3) et testés sur le banc d'essai normalisé AERO2FANS. Ces machines ont été conçues pour avoir le même point de fonctionnement mais avec une répartition de charge différente. Les résultats expérimentaux se concentrent dans un premier temps sur JW1. Les grandeurs physiques regardées sont l'efficacité globale et l'élévation de pression statique pour juger de la performance globale de la machine. La fluctuation de pression pariétale et le champ de vitesse sont aussi mesurés. L'impact du changement de rapport de vitesse ou la distance entre les deux rotors sur la machine JW1 a été étudiée grâce aux grandeurs physiques décrits précédemment. Enfin dans une dernière partie, les trois machines sont comparées toujours grâce aux grandeurs physiques définies précédemment. / ABSTRACT : The counter rotating subsonic axial flow fans could be a good solution for applications where the highly improved static pressure and efficiency are required without the increase of rotational speed and fan diameter. However, the mechanisms of high performance CRS and parameters influences are not well understood nowadays. This thesis is an experimental investigation of the performance and parameter studies of two counter rotatingaxial flow ducted fans. The design and measurement methods are based on the previous research work in Laboratory Dynfluid (Arts et Métiers ParisTech). Three Counter Rotating Stages (CRS) (named JW1, JW2 and JW3) are developed and tested on a normalized test bench (AERO2FANS). These systems have same design point and differ by the distribution of loading as well as the ratio of angular velocity between the Front Rotor (FR) and Rear Rotor (RR). The first part of results focus on the JW1. The overall performance is obtained by the experimental results of the static pressure rise and static efficiency, as well as the wall pressure fluctuations recorded by a microphone on the casing wall. The parameter study is conducted to investigate the effects of the axial distance and the ratio of angular velocity between the FR and RR on the global performance and flow fields measured by Laser Doppler Velocimetry (LDV).The last part of the work is devoted to analyze the differences of the three CRS with different distribution of work, in terms of the global performance and flow features.