Détermination de l'impédance acoustique de matériaux absorbants en écoulement par méthode ...

218 Pages·2017·11.95 MB·French

by  Julien Primus

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(cid:37)(cid:78)(cid:0)(cid:86)(cid:85)(cid:69)(cid:0)(cid:68)(cid:69)(cid:0)(cid:76)(cid:7)(cid:79)(cid:66)(cid:84)(cid:69)(cid:78)(cid:84)(cid:73)(cid:79)(cid:78)(cid:0)(cid:68)(cid:85)(cid:0)
(cid:37)(cid:48)(cid:36)(cid:53)(cid:48)(cid:51)(cid:34)(cid:53)(cid:1)(cid:37)(cid:38)(cid:1)(cid:45)(cid:8)(cid:54)(cid:47)(cid:42)(cid:55)(cid:38)(cid:51)(cid:52)(cid:42)(cid:53)(cid:178)(cid:1)(cid:37)(cid:38)(cid:1)(cid:53)(cid:48)(cid:54)(cid:45)(cid:48)(cid:54)(cid:52)(cid:38)(cid:1)
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(cid:36)(cid:207)(cid:76)(cid:73)(cid:86)(cid:82)(cid:207)(cid:0)(cid:80)(cid:65)(cid:82)(cid:0)(cid:26)
InstitutNationaldesSciencesAppliquéesdeToulouse(INSAToulouse)
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(cid:36)(cid:73)(cid:83)(cid:67)(cid:73)(cid:80)(cid:76)(cid:73)(cid:78)(cid:69)(cid:0)(cid:79)(cid:85)(cid:0)(cid:83)(cid:80)(cid:207)(cid:67)(cid:73)(cid:65)(cid:76)(cid:73)(cid:84)(cid:207)(cid:0)(cid:26)
DynamiquedesFluides
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(cid:48)(cid:82)(cid:207)(cid:83)(cid:69)(cid:78)(cid:84)(cid:207)(cid:69)(cid:0)(cid:69)(cid:84)(cid:0)(cid:83)(cid:0)(cid:79)(cid:85)(cid:84)(cid:69)(cid:78)(cid:85)(cid:69)(cid:0)(cid:80)(cid:65)(cid:82)(cid:0)(cid:26)(cid:0)
JulienP(cid:0)RIMUS
(cid:76)(cid:69)(cid:0)(cid:26) 06décembre2012 (cid:0)
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(cid:52)(cid:73)(cid:84)(cid:82)(cid:69)(cid:0)(cid:26)
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Déterminationdel'impédanceacoustiquedematériauxabsorbantsen
écoulementparméthode(cid:0) inverseetmesuresLDV
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(cid:42)(cid:53)(cid:50)(cid:57)(cid:0)
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M.ChristopheAiriau(ProfesseurdesUniversités,IMFT,Toulouse),président
M.AbderrahmaneBendali(Professe(cid:0)urdesUniversités,INSA,Toulouse)
M.AvrahamHirschberg(ProfesseurdesUniversités,TU/e,Eindhoven)
M.AngelotMinotti(IngénieurdeRecherche,AirbusOperationsSAS,Toulouse)
(cid:37)(cid:67)(cid:79)(cid:76)(cid:69)(cid:0)(cid:68)(cid:79)(cid:67)(cid:84)(cid:79)(cid:82)(cid:65)(cid:76)(cid:69)(cid:0)(cid:26)
Mécanique,Energétique,GénieciviletProcédés(MEGeP)
(cid:0)
(cid:53)(cid:78)(cid:73)(cid:84)(cid:207)(cid:0)(cid:68)(cid:69)(cid:0)(cid:82)(cid:69)(cid:67)(cid:72)(cid:69)(cid:82)(cid:67)(cid:72)(cid:69)(cid:0)(cid:26)
Equiped'accueilISAE-ONERAEDyF((cid:0)ONERA-DMAE,centredeToulouse)
(cid:36)(cid:73)(cid:82)(cid:69)(cid:67)(cid:84)(cid:69)(cid:85)(cid:82)(cid:8)(cid:83)(cid:9)(cid:0)(cid:68)(cid:69)(cid:0)(cid:52)(cid:72)(cid:210)(cid:83)(cid:69)(cid:0)(cid:26)
M.FrankSimon(IngénieurdeRecherche,ONERA,Toulouse)
Mme.EstellePiot(IngénieurdeRecherche,ONERA,Toulouse)
(cid:50)(cid:65)(cid:80)(cid:80)(cid:79)(cid:82)(cid:84)(cid:69)(cid:85)(cid:82)(cid:83)(cid:0)(cid:26)
M.MabroukBenTahar(ProfesseurdesUniversités,UTC,Compiègne)
M.PascalBruel(ChargédeRecherche,LMAP,Pau)
ii
Résumé
La réduction des nuisances sonores est un enjeu permanent pour les acteurs de l’aéro-
nautique. L’optimisation de la réduction de bruit apportée par les traitements acoustiques
tapissant la nacelle des réacteurs turbofan passe par une caractérisation précise des maté-
riauxemployésdansl’environnementaéroacoustiqued’utilisation,quimetenjeuunécou-
lementrasantdevitesseimportantecombinéàdefortsniveauxsonores.
L’objectif de cette thèse est de développer une méthode inverse pour la détermination
del’impédanceacoustiquedelinerssoumisàunécoulementrasant,baséesurdesmesures
nonintrusivesduchampdevitesseacoustiqueau-dessusdumatériauparVélocimétrieLa-
ser Doppler (LDV). L’impédance de liner est obtenue par minimisation de l’écart entre le
champ de vitesse acoustique mesuré et le champ simulé numériquement en résolvant les
équations d’Euler linéarisées bidimensionnelles harmoniques, discrétisées par un schéma
Galerkindiscontinu.Legradientdelafonctionobjectifminimiséeestcalculévia larésolu-
tion,àchaqueitération,deséquationsdirectesetadjointes. Unepremièreétapedevalida-
tiondusolveuresteffectuéesurdescas-testsacadémiques,puissurdescasexpérimentaux
impliquant des mesures de pression acoustique en paroi rigide opposée au liner. Dans un
secondtemps,laméthodeestappliquéeàdesmesuresdevitesseacoustiqueobtenuespar
LDV dans le banc B2A de l’ONERA en l’absence d’écoulement. La dernière étape consiste à
prendreencomptel’effetd’unécoulementrasantdeprofilcisaillé.Lesimpédancesidenti-
fiéesàpartirdemesuresLDVenprésenced’écoulementontnotammentpermisdegagner
encompréhensionsurlesphénomènesd’absorptionintervenantdanslebancB2A.
Mots-clés: impédanceacoustique,liner,VélocimétrieLaserDoppler,vitesseacoustique,
méthodeinverse,Galerkindiscontinu,équationsadjointes
iii
iv
Abstract
While aircraft noise constraints become increasingly stringent, efficient duct treatment
ofturbofanenginesrequiresanaccurateknowledgeoflinerimpedancewithgrazingflowat
highacousticlevels.
Thisthesisaimsatdevelopinganimpedanceeductionmethodinthepresenceofgrazing
flow.TheinverseprocessisbasedonacousticvelocityfieldsacquiredbyLaserDopplerVelo-
cimetry(LDV)abovetheliner.Thelineracousticimpedanceisobtainedbyminimizationof
the distance between the measured acoustic velocity field and the simulated one. Compu-
tationsrelyontheresolutionofthe2DlinearizedEulerequationsintheharmonicdomain,
spatiallydiscretizedbyadiscontinuousGalerkinscheme.Thegradientoftheobjectivefunc-
tionisachievedbytheresolution,ateachiterationonthelinerimpedance,ofthedirectand
adjoint equations. The solver is first validated on academic test cases, then on experimen-
tal results of acoustic pressure measurements at the rigid wall opposite the liner. Secondly
the method is applied to acoustic velocity measurements obtained by LDV above the liner
withoutflow,inthe ONERA B2Atestbench.Thelaststepconsistsintakingintoaccountthe
effects of a sheared grazing flow. The impedances educed from LDV measurements in the
presenceofflownamelyallowedtogaininsightintotheabsorptionphenomenaoccuringin
theB2Atestbench.
Keywords: acousticimpedance,liner,LaserDopplerVelocimetry,acousticvelocity,educ-
tion,discontinuousGalerkin,adjointequations
v
vi
Table des matières
Page
Tabledesmatières ix
Listedesfigures xvi
Listedestableaux xvii
Listedessiglesetacronymes xix
Listedessymboles xxii
Remerciements xxiii
Introduction 1
I Etatdel’art 7
I.1 Usageetdescriptiondestraitementsacoustiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
I.1.1 Réductionpassivedubruitgénéréparlesturbomachines. . . . . . . . . 8
I.1.2 Descriptionetpropriétésdetraitementspassifs . . . . . . . . . . . . . . 9
I.2 Impédanceacoustiqued’unmatériau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
I.2.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
I.2.2 Impédanceetcoefficientderéflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
I.2.3 Fréquencederésonanceetd’anti-résonanced’unmatériau . . . . . . . 14
I.2.4 Dissipationeteffetsnonlinéaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
I.2.5 Conditionsauxlimitesd’impédanceenprésenced’écoulement . . . . . 18
I.3 Principalesméthodesdedéterminationdel’impédanceacoustique . . . . . . . 21
I.3.1 Quelquesmodèlessemi-empiriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
I.3.2 Approchesdirectespourlamesured’impédanceacoustique . . . . . . . 24
I.3.3 Approchesinversespourl’identificationd’impédanceacoustique . . . . 28
I.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
II Outilspouruneapprocheinversedel’identificationd’impédanceacoustique 39
II.1 Leséquationsd’Eulerlinéarisées:problèmedirectetproblèmeadjoint . . . . . 40
II.1.1 Equationsdirectespourlapropagationacoustiqueenconduittraité . . 40
II.1.2 DiscrétisationGalerkindiscontinueduproblèmedirect . . . . . . . . . . 42
II.1.3 Unedérivationanalytiquedelafonctionobjectifàl’aidedel’étatadjoint 49
II.2 MesureacoustiqueparVélocimétrieLaserDoppler(LDV) . . . . . . . . . . . . . 54
vii
viii TABLEDESMATIÈRES
II.2.1 PrincipedelamesureLDV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
II.2.2 LeBanc-Aéro-Thermo-Acoustique(B2A)del’ONERA . . . . . . . . . . . 60
II.3 Stratégied’optimisationpourl’élaborationd’uneméthodeinverse . . . . . . . 63
Partie1 Validationspréliminairesdelaméthodenumérique 71
III Validationanalytiqueetnumérique 75
III.1 Propagationd’ondesplanesenconduitrigide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
III.2 Ondesstationnairesentubeàimpédance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
III.2.1 Evaluationdelaconditiond’impédanceenincidencenormale . . . . . 77
III.2.2 Application de la méthode inverse au champ analytique d’ondes sta-
tionnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
III.3 Propagationmodaleenincidenceacoustiquerasante . . . . . . . . . . . . . . . 80
III.3.1 Principeduschémanumériquepourl’analysemodale . . . . . . . . . . 80
III.3.2 Etuded’unconduitinfinimentlong . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
III.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
IV Validation expérimentale des aspects direct et inverse du solveur Galerkin dis-
continu 85
IV.1 DescriptiondesbancsdelaNASA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
IV.2 Simulationnumériqueduproblèmedirect:propagationacoustiqueguidée . . 87
IV.2.1 LecasdubancNASA-GITenl’absenced’écoulement . . . . . . . . . . . 87
IV.2.2 LecasdubancNASA-FITenl’absenced’écoulement . . . . . . . . . . . 88
IV.2.3 Propagationacoustiqueguidéeavecécoulementdeprofilanalytique . . 91
IV.3 Evaluationdelaméthodeinverseenl’absenced’écoulement . . . . . . . . . . . 94
IV.3.1 Identificationd’impédancedanslecasduNASA-GITenl’absenced’écou-
lementavecfonctionobjectifexpriméeenpression . . . . . . . . . . . . 94
IV.3.2 Fonctionobjectifenvitessesynthétiséesansécoulement . . . . . . . . . 97
IV.3.3 Identification d’impédance dans le NASA-GFIT en l’absence d’écoule-
mentavecfonctionobjectifexpriméeenpression . . . . . . . . . . . . . 102
IV.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Partie2 Etudedirecteetinversedelapropagationacoustiqueenconduit
traité 109
V Etudesbaséessurlavitesseacoustiqueenl’absenced’écoulement 113
V.1 Configurationd’incidenceacoustiquenormale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
V.2 Configurationd’incidenceacoustiquerasante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
V.2.1 Etudepréliminaire:caractérisationdubancB2Aavecunefonctionob-
jectifenpression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
V.2.2 Etudedelapropagationacoustiqueau-dessusd’unmatériaumicroper-
foré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
V.2.3 Applicationdelaméthodeinverseàdesmesuresdevitesseacoustique
enl’absenced’écoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
V.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
TABLEDESMATIÈRES ix
VI Priseencompteducaractèrecisailléduprofild’écoulementrasant 131
VI.1 Effetd’unécoulementrasantcisaillé:casduNASA-GIT . . . . . . . . . . . . . . 132
VI.1.1 Simulation numérique de la propagation acoustique avec écoulement
rasantcisaillé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
VI.1.2 Miseenévidenced’uneinstabilitéhydrodynamique . . . . . . . . . . . . 133
VI.1.3 Méthode inverse en présence d’écoulement avec fonction objectif ex-
priméeentermesdepressionacoustique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
VI.2 CasduB2Atraitéparunmatériaumicroperforé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
VI.2.1 Caractéristiquesdel’écoulementcisaillé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
VI.2.2 Résultatsd’identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
VI.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
VII Miseenévidencedespropriétésdelaméthodeinverse 147
VII.1Identificationmulti-paramètrespourl’étudedelinerspartitionnés . . . . . . . 148
VII.2Etudesdesensibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
VII.2.1Denombreuxfacteursinfluents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
VII.2.2Sensibilitéaubruitdemesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
VII.2.3Sensibilitédel’impédanceidentifiéeàlatailledelarégiond’observation152
VII.3Etatadjointetconditionnécessaired’optimalitéd’ordre1. . . . . . . . . . . . . 155
Conclusionsetperspectives 159
Partie3 Annexes 165
A Formulationdusystèmeadjointdeséquationsd’Eulerlinéarisées 167
B ProfilsdepressionacoustiqueenparoidubancB2AtraitéparlewiremeshR1 171
C Caractérisation du banc B2A avec une fonction objectif en pression et en pré-
senced’écoulement 173
D Champs de vitesse acoustique mesurés et simulés dans le cas du matériau mi-
croperforé 177
Bibliographie 179
Index 191
x TABLEDESMATIÈRES