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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usherbrooke.ca/oai:savoirs.usherbrooke.ca:11143/11790 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Grasso, Gabriele |
| Contributors | Moreau, Stéphane, Schram, Christophe |
| Publisher | Université de Sherbrooke |
| Source Sets | Université de Sherbrooke |
| Language | French, English |
| Detected Language | French |
| Type | Thèse |
| Rights | © Gabriele Grasso |
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