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.

Le développement d’une couche limite turbulente sur des structures entraîne des vibrations et des nuisances sonores. Celles-ci sont estimées par des calculs vibro-acoustiques qui nécessitent le spectre de pression pariétale turbulente en fréquence-nombre d’onde. Ce spectre est généralement calculé via des modèles empiriques. Or ces modèles ont un domaine de validité très restreint et ne sont pas adaptés pour des écoulements complexes, avec notamment des gradients de pression. Dans ces travaux, une méthode est proposée pour calculer les corrélations spatio-temporelles de pression pariétale à partir d’une solution sous forme intégrale de l’équation de Poisson. Le spectre de pression est obtenu à partir de la transformation de Fourier de ces corrélations. L’expression retenue pour ces dernières fait intervenir les dérivées d’une fonction de Green ainsi que les champs de la vitesse moyenne et des tensions de Reynolds qui sont obtenus par simulation RANS. Elle fait aussi intervenir des coefficients de corrélation de vitesse spatio-temporelle qui doivent être modélisés. Pour cela, un nouveau modèle de coefficient de corrélation spatiale a été développé : l’Extended Anisotropic Model. Le calcul des corrélations et du spectre de pression est réalisé en utilisant une méthode numérique basée sur une stratégie d’échantillonnage adaptatif combinée à du krigeage. Elle permet de réduire le nombre de valeurs de corrélation de pression nécessaires pour obtenir le spectre de pression pariétale et donc de réduire le temps de calcul. La méthode est appliquée à des écoulements de couche limite turbulente sur une plaque plane et sur un profil NACA-0012 avec un gradient de pression adverse. / Turbulent boundary layer flows over structures induce vibrations and noise. The latter are estimated by vibro-acoustic studies which require the wavenumber-frequency turbulent wall-pressure spectrum. This spectrum is generally computed via empirical models. However, these models have a very narrow domain of validity and are not adapted for complex flows, in particular with pressure gradients. In this work, a method is proposed to compute space-time wall-pressure correlations from an integral solution of the Poisson equation. The pressure spectrum is obtained by the Fourier transform of these correlations. The expression retained for the pressure correlations involves the derivatives of a Green function as well as the mean velocity field and the Reynolds stresses which are obtained by RANS solutions. It also involves space-time velocity correlation coefficients that have to be modelled. To achieve this, a new model was developed for the spatial correlation coefficients: the Extended Anisotropic Model. To compute the wall-pressure correlations and spectrum, a numerical method based on a self adaptive sampling strategy combined with Kriging is used. It reduces the number of pressure correlation values required to compute the wall-pressure spectrum and thus reduces the computation time. The method is applied to turbulent boundary layer flows over a flat plate and over a NACA-0012 profile with an adverse pressure gradient.

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

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.

Cette thèse a pour objectif d'améliorer la compréhension des effets d'un gradient sur une couche limite turbulente à l'équilibre. On s'intéresse en particulier aux effets d'un gradient de pression sur la partie aérodynamique de l'écoulement, ainsi que sur le bruit émis par la couche limite turbulente. En effet, une couche limite turbulente est une source de bruit omniprésente en aéronautique, automobile ou encore en ferroviaire. Cette source provient de la pression fluctuante produite par la couche limite turbulente se développant à la surface de la paroi extérieure du véhicule. Deux contributions au bruit de couche limite turbulente à l'intérieur de l'habitacle d'un véhicule peuvent être observées. La première contribution est une contribution de type aéroacoustique et est appelée contribution directe. Elle est due à la génération d'ondes acoustiques par les fluctuations de pressions générées par la couche limite turbulente. La deuxième contribution est due à des mécanismes de vibro-acoustique et est appelée contribution indirecte. Elle est due à l'excitation structurale engendrée par les fluctuations de pression sur la paroi du véhicule. Les fluctuations de pression d'une couche limite turbulente sont de plus responsables de la génération d'un rayonnement acoustique qui est de même nature que celui de la contribution directe mais qui est dirigé vers l'extérieur du véhicule. Dans le cadre de cette thèse, des calculs directs à l'aide d'un solveur numérique permettant la résolution des équations de Navier-Stokes en régime compressible sont réalisées pour des cas de couches limites avec gradients de pression adverses et favorables. L'étude de ces résultats nous permet de mettre en évidence l'augmentation des niveaux du rayonnement acoustique avec un gradient adverse et leur diminution avec un gradient favorable en comparaison du cas sans gradient de pression. De plus, l'étude des spectres de la pression fluctuante sous les différentes couches limites étudiées, a également permis d'observer l'augmentation des deux contributions au bruit de couche limite, à savoir les contributions directe et indirecte avec un gradient de pression adverse et leur diminution avec un gradient de pression favorable. On observe de plus que ces effets sont amplifiés avec l'augmentation de l'intensité du gradient. / The aim of this study is to provide a better understanding of the effects of a pressure gradient on an equilibrium turbulent boundary layer. In particular, the effects on the aerodynamic part and on the turbulent boundary layer noise are studied here. In fact, in the framework of transport industry, boundary layers constitute a fundamental source of aerodynamic noise. A turbulent boundary layer over a wall can provide a direct and an indirect contribution to the noise felt inside a vehicle. The indirect contribution corresponds to the structural excitation of the structure below and the direct contribution consists in the propagation of pressure waves. Wall pressure fluctuations are also responsible for the propagation of pressure waves outside the turbulent boundary layer. In this regard, simulations of turbulent boundary layers in presence of adverse and favorable pressure gradients are carried out using direct noise computation by solving the compressible Navier-Stokes equations. This method provides the direct contribution and the wall pressure fluctuations, which are responsible for the indirect contribution to the aerodynamic noise. Results show that an adverse pressure gradient leads to higher levels of the direct acoustic emission whereas lower levels are obtained in presence of a favorable pressure gradient in comparison to the zero gradient case. The study of the spectra of the wall pressure fluctuations for the different gradients cases we present, yield to the same hierarchy of levels. We further observed that these effects are amplified with the increase in the intensity of the gradient.

L'écoulement autour des véhicules produit une couche limite turbulente très proche de la paroi. Le caractère turbulent induit des fluctuations de pression pariétale qui font vibrer les panneaux du véhicule. Ces vibrations sont alors transmises à travers la structure et rayonnent du bruit dans l’habitacle. Les niveaux sonores dus à l'écoulement augmentent avec la vitesse du véhicule. Pour cette raison, cette problématique connaît un intérêt croissant dans le secteur aéronautique.Le but de cette thèse est double : comprendre les mécanismes à l’origine de ces fluctuations de pression à la paroi et prédire l’excitation de la structure avion due à l’écoulement turbulent.Pour ce faire, des calculs Large Eddy Simulation (LES) sont disponibles. Il s’agit de bases de données numériques d’écoulements de couches limites turbulentes en présence de gradients de pression favorable, adverse et nul. Ceci permet de caractériser l’écoulement sur des géométries courbes telles que la pointe avant d’un avion. L’effet du gradient de pression sur des structures cohérentes de type « hairpins » et paquets de « hairpins » a pu être identifié et quantifié à travers des méthodes de visualisation et d’analyse statistique. Une méthode d’estimation stochastique du champ de vitesse a révélé la présence de tourbillons contra-rotatifs au-dessus des paquets de hairpins. Ces tourbillons ont une vorticité opposée à celle des hairpins et un modèle de « hairpins inversé » a été proposé.En s’inspirant du travail de Ahn et al. (2010), un modèle stochastique de spectre de la pression pariétale a été développé. Il s’agit de reconstruire un champ stochastique de vitesse instantanée et d’en déduire le champ de pression à la paroi en résolvant une équation de Poisson sur la pression. Le champ de vitesse est obtenu en soumettant des structures de type paquets de hairpins à un écoulement moyen. Les caractéristiques des paquets de hairpins en fonction du gradient de pression sont basées sur l’analyse des bases LES. Les résultats de ce modèle sont comparés à ceux issues de bases de données numériques et expérimentales. Enfin, ce modèle est utilisé pour caractériser l’écoulement de couche limite turbulente dans une simulation de Statistical Energy Analysis (SEA) afin de prédire les niveaux de vibration des panneaux d’une portion de fuselage d’avion. / The flow around vehicles creates a turbulent boundary layer in the vicinity of the wall. The turbulent behavior induces pressure fluctuations that make the panels vibrate. These vibrations are then transmitted though the structure of the vehicle and radiate noise inside the cabin. The flow-induced noise levels increase with the speed of the vehicle. For this reason, aircraft manufacturers show a great interest in this topic.There are two objectives for this thesis: understand the mechanisms responsible for the wall-pressure fluctuations and predict this source of aircraft panel excitation.A study of available Large Eddy Simulation (LES) computations was performed. The database consists in simulations of turbulent boundary layer flows submitted to favorable, adverse and zero pressure gradients. This is necessary to understand the nature of the flow over curved geometries such as the aircraft flight deck. The effect of pressure gradients on coherent hairpin structures and hairpin packets could be identified and quantified based on visualization and statistical analysis methods. Linear stochastic estimation of the velocity fields revealed a pair of counter-rotating streamwise vortices above hairpin packets. These vortices have a vorticity opposite to that of the hairpins and an “inverse hairpin” model was proposed.Following the work of Ahn et al. (2010), a stochastic model for wall-pressure spectrum was developed. The idea is to build a stochastic turbulent velocity field using hairpin packets which are subjected to a mean flow. The characteristics of the packets depending on the pressure gradient are based on the analyses of the LES database. The pressure field at the wall is obtained by solving a Poisson equation. The results of the hairpin packet model are compared to numerical and experimental data. Finally, the model is used as input for a Statistical Energy Analysis (SEA) simulation in order to predict the levels of vibrations of panels submitted to a turbulent boundary layer flow over a portion of an aircraft cabin.

Les travaux présentés dans le cadre de cette thèse de doctorat concernent la problématique d’arrachement de bâches de semi-remorques convoyés par le réseau d’autoroutes ferroviaires. En effet, les phénomènes turbulents générés autour d’un tel convoi provoquent d’importantes fluctuations de pression sur les parois bâchées, entrainant des mouvements de forte amplitude menant à la rupture sur de longues périodes de sollicitation. Ce phénomène pouvant provoquer plusieurs types d’incidents pour l’exploitant du réseau (embrasement par contact caténaire, retard des trains, perte de marchandise, etc...), il est nécessaire de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu et de dégager une solution de contrôle de l’écoulement satisfaisant les contraintes de l’industrie ferroviaire. Pour ce faire, une étude expérimentale et numérique de l’écoulement autour d’une configuration bidimensionnelle de marche montante a été réalisée afin de caractériser l’influence des différentes zones décollées sur les fluctuations de pression pariétale induites en aval de la marche. A cet effet, une série de mesures de champs de vitesse et de pression pariétale ont été réalisées dans la soufflerie du Lamih. Les résultats observés expérimentalement ont pu être confrontés à ceux obtenus par une approche numérique dans des conditions équivalentes. L’analyse de l’écoulement s’est principalement focalisée sur deux points. Le premier concerne la dynamique des zones de recirculation en interaction avec la couche de cisaillement. Une approche stochastique a été déployée, et a permis de mettre en évidence les mécanismes prépondérants à l’origine du phénomène. Le second point porte sur les liens entretenus entre ces mécanismes et les fluctuations de pression pariétale. Une approche modale, basée sur une décomposition orthogonale aux valeurs propres étendue, a permis de révéler l’importante contribution des basses fréquences dans ce cas de figure. Enfin, une solution de contrôle passive (déflecteur) a été testée et a permis de montrer que la suppression de ces mécanismes basse fréquence permet d’obtenir un gain en termes de pression pariétale pouvant aller jusqu’à 36% selon les configurations. / The work presented in the framework of this doctoral thesis concerns the problem of the tarpaulins tearing off of semi-trailers conveyed by the motorways network. Indeed, the turbulent phenomena generated around such a convoy cause large pressure fluctuations on the walls, resulting in high amplitude movements leading to breakage over long periods of stress. This phenomenon can cause several types of incidents for the operator of the network (ignition by catenary contact, train delay, loss of goods,...), it is necessary to understand the physical phenomena involved and to define a flow control solution that take into account the rail industry constraints. To do this, an experimental and numerical study of the flow around a two-dimensional forward facing step configuration was carried out in order to characterize the influence of the different separated zones on the wall pressure fluctuations induced downstream of the step. For this purpose, a series of velocity field and wall pressure measurements were carried out in the Lamih wind tunnel. The experimental results could be compared with those obtained by a numerical approach under the same conditions. The flow analysis focused mainly on two points. The first concerns the dynamics of the recirculation zones interacting with the shear layer. A stochastic approach has been used, and has made it possible to highlight the dominant mechanisms at the origin of the phenomenon. The second point concerns the dynamical links between these mechanisms and the wall pressure fluctuations. A modal approach, based on an extended orthogonal decomposition, revealed the important contribution of the low frequencies in this case. Finally, a passive control solution (deflector) was tested and showed that the low frequency mechanisms suppression provide a wall pressure gain up to 36 % depending on configurations.

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.