UPThèses

Cette étude expérimentale s'intéresse au bruit tonal de bord de fuite sur un profil NACA 0012, et en particulier aux effets de l'inhomogénéité en envergure de l'écoulement sur les sources de bruit. L'originalité de l'approche consiste dans la mesure simultanée du bruit rayonné par antennerie acoustique et des champs de vitesse dans le sillage par Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) résolue en temps (fréquence de 20 kHz afin de résoudre les échelles de temps acoustiques). Une expérience préliminaire retrouve, comme dans la bibliographie, des résultats de PIV altérés pour des fréquences inférieures à la limite de Shannon, et permet d'identifier l'allure des distorsions liées à cette erreur. La précision de la synchronisation entre le signal focalisé par formation de voies temporelle et les champs de vitesse est ensuite évaluée, et est de l'ordre du centième de milliseconde. La mesure acoustique révèle un bruit tonal (constitué d'un ou plusieurs pics fréquentiels) pour des conditions d'écoulement en accord avec la littérature. La formation de voies permet alors d'identifier des zones sources le long de l'envergure, distinctes pour chaque fréquence. Cela constitue un apport intéressant car les modèles théoriques utilisés pour décrire la formation de bruit tonal au bord de fuite sont bidimensionnels. L'analyse fréquentielle des champs de vitesse dans un plan parallèle au profil d'aile indique un détachement tourbillonnaire variable en fonction de la position en envergure, avec les mêmes fréquences dans les mêmes zones que les sources de bruit identifiées. Il est aussi montré que les zones sources de bruit sont celles où la cohérence transverse du détachement tourbillonnaire présente un maximum. Une mesure dans le plan perpendiculaire à l'aile permet le suivi temporel des tourbillons détachés au bord de fuite, et une comparaison entre le signal de vorticité et le signal acoustique focalisé sur la zone de mesure aboutit à un taux de corrélation satisfaisant, de l'ordre de 60%.

Cette étude vise à caractériser en soufflerie les mécanismes aérodynamiques à l’origine de la génération puis la transmission des fluctuations de bruit dans un modèle d’habitacle automobile. Le banc d’essai conçu en soufflerie anéchoïque consiste en un écoulement dont la vitesse incidente est modulée par un volet mobile, et qui par interaction avec une marche montante rayonne un bruit aéroacoustique transmis à travers une vitre dans un caisson anéchoïque. L’approche retenue consiste, pendant le temps de maniement du volet, à mesurer et relier le champ de vitesse externe mesuré à l’aide de la technique de vélocimétrie laser par images de particules (TR-PIV échantillonnée à 20 kHz) à la pression pariétale d’une part, puis au champ acoustique interne obtenu par transmission d’autre part. Des outils de corrélation spatio-temporelle sont alors utilisés pour mettre en évidence les zones de l’écoulement les plus corrélées avec les fluctuations d’énergie de la pression pariétale et celles du niveau de bruit intérieur. La fluctuation du chargement aérodynamique de la vitre sous la bulle de recirculation est logiquement liée à l’activité instationnaire de cette dernière, puis plus en aval, au lâcher tourbillonnaire. Quant au bruit transmis dans le modèle d’habitacle, il semble principalement lié aux fluctuations de vitesse dans la couche de cisaillement. Enfin, une procédure spécifique a permis d’évaluer le caractère quasi-stationnaire des variations temporelles des quantités fluctuantes ainsi que la réponse acoustique de la vitre.

Ce travail porte sur l’étude des mécanismes aérodynamiques extérieurs à un véhicule à l’origine de la production de bruit et de la transmission acoustique à travers les vitres, vers l’intérieur de l’habitacle. L’étude est conduite de façon expérimentale en soufflerie anéchoïque et a nécessité la mise en place d’un banc de mesure pour la transmission acoustique à travers une vitre soumise à un chargement d’écoulement turbulent. Deux configurations expérimentales ont été étudiées : un écoulement décollé simple (2D) en aval d’une marche montante et un écoulement tourbillonnaire formé à partir de générateurs de vortex. La mise en place de moyens de mesure de vitesse par PIV, de capteurs de pression pariétale déportés et de microphones a permis de constituer des bases de données couplées pression/vitesse qui, associées à des outils d’analyse fréquentielle et de corrélation, nous ont permis d’identifier les liens entre la structure turbulente de l’écoulement et l’excitation de la vitre d’une part, et le champ acoustique d’autre part. On montre ainsi que le bruit transmis est en grande partie lié aux structures cohérentes de l’écoulement : celles issues du lâcher tourbillonnaire dans le cas de la marche et les tourbillons secondaires dans l’écoulement formé en aval des générateurs de vortex. Ces instationnaires constituent la principale source de fluctuation de pression pariétale et dominent l’interaction entre structures l’écoulement et la vitre, qui en réponse génère un rayonnement acoustique à l’intérieur de l’habitacle. Il est toutefois difficile d’établir un lien direct entre les structures aérodynamiques et l’émission acoustique. Ceci est principalement dû aux caractéristiques vibroacoustiques de la réponse de la vitre ( résonance, coïncidence)

La localisation de sources aéroacoustiques sur les corps automobiles est actuellement un sujet d’intérêt majeur pour les industriels. Le traitement d’antenne microphonique par formation de voies (beamforming) est une méthode robuste, classiquement utilisée dans ce cadre. L’objectif principal de ce manuscrit concerne ainsi la détection de sources aéroacoustiques sur des corps non profilés. Deux configurations expérimentales sont envisagées : une marche montante qui représente un cas académique, et un corps tridimensionnel générant des structures tourbillonnaires de type montant de baie se rapprochant du cadre de l’industrie automobile. La localisation de sources par formation de voies classique a permis d’identifier, pour différentes gammes de fréquence, les principales régions d’émission acoustique, à savoir : les zones tourbillonnaires amont et aval sur la marche et les montants de baie latéraux sur le corps tridimensionnel. De plus, des tendances similaires dans les mesures de pression pariétale fluctuante et de pression acoustique en champ lointain ont été observées. L’étude s’est ensuite dirigée vers la détection d’intermittences acoustiques afin de déterminer dans quelle mesure, à l’instar du bruit de jet, le bruit d’écoulement en présence d’obstacle présente un caractère intermittent. Un processus de seuillage sur le champ lointain mesuré a permis de sélectionner des événements représentant 80% de l’énergie du signal original et 20% de sa durée sur les deux configurations. Une méthode de formation de voies temporelle, en lien direct avec la technique de retournement temporel, a été développée afin de réaliser une imagerie de sources aéroacoustiques en fonction du temps.L’utilisation de cette technique permet de montrer que les événements sélectionnés à partir du seuillage correspondent à des sources intermittentes dont on peut déterminer les lieux et les instants d’émission (obéissant à une distribution statistique Gamma). Le bruit aéroacoustique généré par les corps non profilés considérés dans cette étude peut donc être vu comme une succession d’événements intermittents identifiables. Enfin, la reconstruction des signaux acoustiques à partir d’une famille d’ondelettes a été effectué. Les spectres du signal original et filtré sont fortement semblables, une différence de l’ordre de 10% ayant été observée entre eux pour les deux maquettes, confirmant l’importance des événements intermittents dans le rayonnement aéroacoustique des corps non profilés.

Dans le cadre de la problématique du refroidissement des déchets radioactifs, ce travail a pour objectifs l'étude de l'écoulement autour d'un cylindre chauffant monté en paroi soumis à un écoulement transverse selon l'approche URANS. Les limitations bien connues de la modélisation au premier ordre conduisent à considérer une approche au deuxième ordre. C'est dans ce sens qu'un modèle d'échange thermique est développé puis validé sur des cas académiques. Dans un premier temps, lorsque le régime de convection mixte est dominant, ces calculs, réalisés par le modèle bas-Reynolds k-w SST, et complétés par un calcul isotherme, mettent en évidence de nombreuses structures tourbillonnaires recensées par la bibliographie. Un calcul avec le modèle haut-Reynolds Rij-epsilon SSG est aussi effectué. Avec le modèle k-w SST, l'échange thermique est convenablement reproduit par rapport à l'expérience VALIDA, conduite par le CEA, alors qu'avec le modèle Rij-epsilon SSG celui-ci est fortement sous-estimé, certainement en raison de l'utilisation de lois de paroi. Dans un second temps, lorsque la convection naturelle est prépondérante, la topologie des écoulements est alors complètement différente et le transfert thermique est bien moins fidèle à l'expérience VALIDA. Le modèle à pondération elliptique EB-RSM, issu de l'approche de Durbin, consiste en la prise en compte des effets de paroi, et en particulier le blocage à la paroi. D'après ce formalisme, un modèle algébrique des flux thermiques avec pondération elliptique est développé, l'EB-AFM. Avec ce modèle, des tests a priori dans les trois régimes de convection puis les simulations sur les mêmes cas montrent une nette amélioration dans la prédiction des différents écoulements faisant place à une perspective intéressante d'un modèle intermédiaire entre une formulation SGDH et des équations de transport.