An innovative application of existing technology is proposed for attenuating the effects of transient phenomena, such as rotor-stator and rotor-strut interactions, linked to noise and fatigue failure in turbomachinery environments. A computational study was designed to assess the potential of Passive Porosity Technology as a mechanism for alleviating interaction effects and radiated noise by reducing the fluctuating forces acting on the vane surfaces. The study involved a typical high bypass fan stator airfoil immersed in a subsonic free field and exposed to the effects of a transversely moving wake. Time histories of the primitive aerodynamic variables obtained from Computational Fluid Dynamics (CFD) calculations were input into an acoustic prediction code to estimate noise levels at a radial distance of ten chords from the stator airfoil. This procedure was performed on the solid airfoil to obtain a baseline, and on approximately fifty porous configurations in order to isolate those that would yield maximum noise reductions without compromising the aerodynamic performance of the stator. It was found that, for a single stator immersed in a subsonic flow field, communication between regions of high pressure differential - made possible by the use of passive porosity - tends to induce a time-dependent oscillatory pattern of small inflow-outflow regions near the stator leading edge (LE), which is well established before wake effects come into play. The oscillatory pattern starts at the LE, and travels downstream on both suction and pressure sides of the airfoil. The amplitude of the oscillations seemed to be proportional to the extension of the porous patch on the pressure side. Regardless of this effect, which may not have occurred if the airfoil were placed within a stator cascade, communication between regions of high pressure differential is necessary to significantly alter the noise radiation pattern of the stator airfoil. Whether those changes result in noise abatement or enhancement depends primarily on the placement and extension of the porous patches. For most viable configurations, porosity reduced loading noise but increased thickness noise. Variations in nominal porosity were of secondary importance. In general, the best aerodynamic performers (i.e., those configurations that were able to reduce unsteady lift without severely altering the lift and/or drag characteristics of the solid airfoil) were also the best acoustic performers. As a result of using passive surface porosity, overall peak radiated noise was reduced by approximately 1.0 dB. This reduction increased to about 2.5 dB when the effects of loading noise alone were considered. / Ph. D.

L’évolution des turboréacteurs vers des taux de dilution toujours plus importants est associée à de nouvelles problématiques. Parmi elles, le raccourcissement de l’entrée d’air et de la tuyère est associé à une diminution du gain apporté par les traitements acoustiques de nacelle. La contribution des traitements situés dans l’espace entre la soufflante et le stator redresseur (OGV) va donc prendre de l’importance par rapport à l’ensemble des traitements. Cette zone, également appelée “interstage”, est caractérisée par une forte giration de l’écoulement moyen due à l’entraînement du fluide par le rotor. L’objectif de ce travail est de développer un modèle analytique afin d’évaluer l’effet de la giration sur le comportement des traitements acoustiques dans l’interstage, ainsi que sur le bruit à large-bande rayonnant en amont dû à l’interaction de la turbulence en aval de la soufflante avec les aubes des stators (OGV). Dans un premier temps, l’évolution de petites perturbations dans écoulement moyen tournant et cisaillé dans un conduit rigide est étudiée. Après avoir introduit les équations ainsi que les hypothèses du problème, l’analogie acoustique de Posson & Peake [122] est présentée. L’effet de la giration sur le contenu modal dans un conduit rigide est mis en évidence pour plusieurs types d’écoulements tournants. En particulier, le décalage des fréquences de coupures est étudié. L’étude est ensuite étendue au cas d’un conduit annulaire traité acoustiquement. Une attention particulière est portée sur la condition aux limites à appliquer aux parois du conduit. Dans ce cadre, une correction due aux effets centrifuges est apportée à la condition aux limites de Myers [101]. Une extension du modèle de Brambley [24] est aussi proposée afin de prendre en compte l’effet de l’épaisseur de la couche limite aux parois du conduit dans le cas tournant. Les effets combinés de la rotation et de la condition aux limites sur le contenu modal sont ensuite étudiés. En outre, une relation de dispersion pour les modes de surfaces en présence d’écoulement tournant est développée. À partir des développements précédents, un modèle de transmission acoustique est proposé afin d’évaluer l’effet de la giration sur le comportement des traitements acoustiques. La méthode repose sur le principe de raccordement modal appliqué à la conservation du débit massique et de l’enthalpie totale aux interfaces séparant les sections rigides et traitées. Une nouvelle méthode de projection basée sur les propriétés des polynômes de Chebyshev est proposée. À partir de ce modèle, l’efficacité des traitements acoustiques est étudiée pour différents écoulements tournants. Enfin, un modèle de prédiction du bruit à large-bande d’interaction rotor-stator est établi à partir de l’analogie de Posson & Peake [122], dans le but de prendre en compte l’effet de la giration sur la puissance acoustique rayonnée en amont. Le terme source est calculé selon le formalisme de Posson et al. [120]. Le modèle ainsi développé permet de prendre en compte une évolution radiale des paramètres géométriques et des propriétés statistiques de la turbulence incidente. Le modèle est ensuite évalué sur le cas test NASA SDT pour différents régimes et géométries. / The advent of modern turbofan engines such as UHBR goes along with new issues. Amongst others, the shortening of the inlet and exhaust yield a relatively higher importance of the liners located inside the interstage, where the flow is highly swirling. The present work aims at developing analytical models to assess the effect of the swirl both on the behavior of the interstage liners and on the upstream radiation of the fan-OGV interaction broadband boise. The evolution of small fluctuations in a rigid annular duct containing a swirling and sheared mean flow are studied first. After having introduced the governing equations and the main assumptions, the acoustic analogy of Posson & Peake [122] tailored to an annular duct with swirl and shear is presented. The effect of the swirl on the modal content in a rigid annular duct is highlighted for different types of swirl. In particular the shift of the cut-on thresholds is studied. Then, the modal analysis is extended to a duct with lined walls. A particular attention is paid on the boundary condition. Notably, a correction of the classical Myers boundary condition [101] is proposed to account for the centrifugal effects. An extension of Brambley’s boundary condition [24] is also derived to account for the boundary layer thickness to first order. The effect of both the swirl and the boundary condition on the modal content are studied. Besides, a dispersion relation for the surface waves is derived for the corrected Myers boundary condition. Based on the previous modal analyses, a transmission tool is developed to assess the effect of the swirl on the efficiency of a liner. The method, which relies on the mode-matching approach, is based on the conservation of the total enthalpy and the mass flow at the interfaces between the rigid and the lined sections. Due to the nature of the eigenfunctions, a new projection method based on the Chebyshev polynomial properties is proposed. Thanks to this model, the absorption is assessed for different types of swirl. Finally, a rotor-stator interaction broadband noise prediction model is derived from Posson & Peake’s acoustic analogy [122], to account for the effect of the swirl on the upstream radiated acoustic power. The source term is computed according to Posson et al.’s model [120]. It allows considering a radial variation of the geometry and the statistical properties of the incident turbulence. The model is assessed on the NASA SDT test case and the effect of the swirl is evaluated for several stator geometries and regimes.

Le bruit tonal d’interaction rotor-stator, généré par l’impact des sillages issus des pales d’un rotorsur la grille d’aubes d’un stator redresseur, contribue de manière déterminante au bruit d’origineaérodynamique des turbomachines axiales carénées, qui équipent une large part des systèmes de propulsionaéronautique et de conditionnement d’air. La prédiction du bruit par l’utilisation de simulationsnumériques demeure onéreuse, notamment dans les premières phases de conception lorsque de nombreusesconfigurations doivent être testées. Dans cette optique, l’approche analytique choisie dans cettethèse apporte une alternative tout à fait appropriée. Les modèles analytiques basés sur une fonctionde réponse aéroacoustique de profil isolé ne permettent pas de reproduire l’effet de grille engendrépar le nombre important d’aubes de stator. Inversement, de fortes approximations sont nécessairespour décliner les fonctions de réponse de grilles d’aubes existantes dans des configurations tridimensionnelles.Le formalisme proposé, basé sur la méthode de raccordement modal, permet d’introduiresimplement l’effet de grille dans une géométrie annulaire d’étage rotor-stator. Un modèle de réponse degrille rectilinéaire bidimensionnel est tout d’abord présenté pour la transmission d’ondes acoustiques àtravers le stator ainsi que pour la génération de bruit par l’impact de rafales hydrodynamiques. Dansce cadre, une analyse linéaire et non visqueuse est considérée, pour laquelle les modes acoustique ettourbillonnaire d’un gaz sont couplés par le biais des frontières rigides. Les perturbations de vitessesliées aux sillages sont modélisées comme des rafales convectées. Leur impact sur la grille de statorgénère des ondes acoustiques se propageant en amont, en aval ainsi que dans les espaces inter-aubesdu stator, vu comme un réseau périodique de guides d’ondes. Les sections de bords d’attaque et defuite des aubes sont considérées comme des interfaces sur lesquelles la continuité des fluctuations depression, de vitesse axiale et de vorticité est vérifiée. Un système d’équations est ainsi obtenu, puisrésolu par des projections sur les bases modales du conduit et des inversions matricielles. Le champacoustique rayonné est ainsi déterminé uniformément dans tout le domaine. Les résultats issus de cesmodélisations sont comparés à ceux des fonctions de réponse de grilles d’aubes rectilinéaires issues dela littérature, montrant un très bon accord avec les modèles basés sur la technique de Wiener-Hopf. Leformalisme est par la suite étendu aux grilles annulaires par l’ajout de fonctions de Bessel comme fonctionsde forme radiale exprimant les effets tridimensionnels. Finalement, une procédure est présentéepour rendre compte de l’hétérogénéité des aubes de stator, caractéristique des nouvelles architecturesde turbomachines. Cette méthodologie est basée sur l’emploi conjoint du principe du dipôle de bordd’attaque et de la fonction de réponse aéracoustique de la grille de stator à l’aide de la technique deraccordement modal. Le principe de dipôle de bord identifie le chargement instationnaire des aubesinduit par l’impact de rafales hydrodynamiques, calculé par le formalisme d’Amiet, avec la trace duchamp de pression acoustique produit par un dipôle placé au voisinage du bord de l’aube. Les prédictionsissues de ce modèle, appliqué dans un cadre bidimensionnel, sont ensuite comparées à des mesuresobtenues pendant la campagne d’essais du projet SEMAFOR. / The rotor-stator wake-interaction tonal noise, generated by the impingement of rotor wakes onoutlet guide vanes, plays a crucial role in the aerodynamic noise of axial-flow ducted fan stages. Thelatter are widely used in most aeronautic propulsion and air-conditioning systems. The noise predictionby means of numerical simulations remains expensive, especially at the preliminary design stage whennumerous configurations must be tested. In this respect, the analytical approach chosen in this thesisprovides a well suited alternative. The analytical modeling based on an isolated-airfoil response functioncan not reproduce the cascade effect introduced by the large number of stator vanes. Conversely, drasticapproximations are required to extend the current cascade response functions to three-dimensionalconfigurations. The proposed modeling based on the mode-matching technique simply introduces thecascade effect in an annular rotor-stator stage. A rectilinear cascade response function is firstly presentedto account for the acoustic transmission through the stator along with the wake-interaction noise.In this context, a linearized and non-viscous analysis is carried out, in which the acoustic and vorticalmodes of a gas are coupled at rigid physical boundaries. The velocity perturbations issued from thewakes are written as a sum of convected gusts. Their impingement on the cascade of vanes generatesacoustic waves propagating upstream, downstream of the cascade, as well as inside the inter-vane channelsof the stator, seen as a periodic array of bifurcated waveguides. The duct cross sections at theleading-edge and the trailing-edge of the vanes are seen as interfaces on which the continuity of thefluctuating pressure, axial velocity and vorticity is fulfilled. A system of linear equations is obtained,then solved by means of modal projections and matrix inversions. The acoustic field is then uniformlycalculated in the whole domain. Comparisons with rectilinear cascade response functions show a verygood agreement with predictions based on the Wiener-Hopf technique. The configuration of an annularcascade is addressed by introducing the Bessel functions as radial shape functions, expressing threedimensionaleffects. Finally, a procedure is presented to account for the heterogeneity of the statorvanes, typical of modern fan architectures. This approach is based on the combinaison of the leadingedgedipole principle and the cascade response function derived from the mode-matching technique.The edge-dipole principle identifies Amiet’s solution for the unsteady loading and the radiation of adipole approached very close to the edge of a half plane. The predictions provided by this modeling,applied in a two-dimensional configuration, are finaly compared to measurements performed in the testcampaign of the SEMAFOR project.