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Propagation acoustique en conduits

Cette OR, regroupant des activités de recherche issues du groupe Ondes Guidés, se concentre sur les études de propagation guidée dans les conduits avec traitement aux parois et avec écoulement. Les activités au « cœur de l’OR » concernent, d’une part, la modélisation de la propagation des les conduits tapissés de traitement de façon inhomogène, du type réacteurs d’avion, et, d’autre part, l’interaction entre un écoulement et la propagation acoustique en présence d’une paroi traitée. Les « activités satellites » sont qualifiées comme telles car elles ont des connexions potentielles avec les thèmes précédents ; elles regroupent l’étude des effets de couches limites viscothermiques dans les conduits, la propagation guidé avec écoulement dans les guides à section variable, la propagation dans les coudes et l’interaction couche limite acoustique-couche limite turbulente.

1- Cœur d’OR

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Fig. réacteur d’avion

1-1 Modélisation dans les conduits avec traitement inhomogène (Y. Aurégan, W.P. Bi, D. Lafarge, V. Pagneux) [A23,C26,C42]

La méthode de la matrice impédance est également utilisée pour l’étude de la propagation dans un conduit traité non-uniformément. Ce travail est effectué dans le cadre d’un contrat avec la SNECMA qui a financé la thèse sur ce sujet de Weng Ping Bi entre 2001 et 2004. L’objectif est de pouvoir prévoir des configurations de traitements réduisant à la fois les bruits de soufflantes et les bruits de raies dans les réacteurs d’avion. Un des avantages de la méthode que nous utilisons est de pouvoir poursuivre l’étude efficacement dans des plages de hautes fréquences typiques pour les applications pour lesquelles des centaines de modes sont propagatifs. Weng Ping Bi poursuit actuellement son séjour au LAUM dans le cadre d’un post-doc pour appliquer des méthodes de rayons qui permettront d’atteindre des fréquences encore plus élevées. [articles A19, colloque C26]

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Fig. Schéma d’une section de conduit exemple de traitement en « nid d’abeilles »
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Fig. Variation de la pression le long de l’axe d’un conduit avec « splice »

1-2 Interaction acoustique - écoulement proche d’une paroi traitée (Y. Aurégan, V. Pagneux) [C25,C33]

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Fig. Champ de pression au voisinage d’un traitement avec écoulement cisaillé

2- Activités satellites

2-1 Propagation dans les conduits de section variable avec écoulement (Y. Aurégan, V. Pagneux, Philippe Testud) [A26,C28]

En présence d’un écoulement cisaillé les modes en conduits sont scindés en trois familles : les modes acoustiques aller (spectre discret), les modes acoustiques retour (spectre discret) et les modes hydrodynamiques (spectre continu). Ainsi l’effet d’un écoulement non uniforme en conduit est très difficile à traiter théoriquement à cause de ce spectre continu qui, notamment, rend délicate la mise en place de conditions de sortie anéchoïques. Il apparaît qu’une méthode multimodale numérique peut être mise en place pour étudier ce problème. L’idée principale est de discrétiser transversalement les équations de départ puis d’utiliser les notions de modes allers et retours sur les modes numériques obtenus. Cette approche est pour l’instant utilisée dans le cas d’une expansion brusque (voir figure 2 ci-dessous) et pour des conduits traités avec écoulement (en collaboration avec Y. Aurégan). [colloques C25, C33 et C39]

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Fig. Champ de pression pour une expansion brusque avec écoulement

2-2 Effets des couches limites visqueuses et thermiques (Loïc Bareau, V. Pagneux) [A28,A29,C27,C39,C41]

Ce travail a été initié en début d’année 2002, et il a pour objectif de rendre compte des effets de rugosité des parois sur les couches limites acoustiques et thermiques. La technique employée est fondée sur une transformation conforme de la géométrie rugueuse en une géométrie à paroi plane. Ensuite, un problème de couche limite avec coefficients variables est résolu par la méthode de la matrice impédance (ici aussi des modes évanescents sont présents puisque la vorticité est évanescente lorsque l’on s’éloigne de la paroi). Les premiers résultats obtenus permettent de mettre en évidence l’accumulation de vorticité de la couche limite visqueuse près des parties a forte courbure (Fig. 2). La suite de ce travail concernera les effets non-linéaires, les effets d’écoulement et les effets de faible nombre de Knudsen sur les conditions limites. J’encadre la thèse de L. Bareau sur ce sujet depuis octobre 2002. [colloque C27]

2-3 Propagation dans les coudes (V. Pagneux, Simon Félix) [A16,C29]

Ensuite, j’ai étendu cette technique multimodale aux géométries coudés (axe non rectiligne) bidimensionnelle. Entre 1999 et 2002, j’ai encadré le travail de thèse de S.Félix, pour la mise en place du code numérique nécessaire à la résolution des équations modales. Les résultats sont très satisfaisants (Fig 1) et ont été validés par rapport à des résultats obtenus par une méthode d’éléments finis. Par la suite, la méthode a été appliquée aux guides coudés tridimensionnels et aux coudes traités qui sont d’une grande importance pratique pour une application aux problèmes de propagation dans les canalisations. Les derniers travaux portent sur l’étude de la propagation dans les coudes à très haute fréquence, c’est-à-dire avec environ un millier de modes propagatifs. [articles A12, A16 et A18, colloques C28 à C30]

2.4 Interaction couche limite acoustique – couche limite turbulente (Y. Aurégan, V. Pagneux) [C31, C34, C36]

La théorie modale acoustique en conduit s’étend naturellement au cas où un écoulement est présent, mais elle fait apparaître des nouveaux modes que l’on peut qualifier d’"hydrodynamiques". Ces derniers ont pour origine des zones de résonance où la vitesse de phase du mode est égale à la vitesse du fluide, et ils sont tributaires de la condition de fluide parfait. Il apparaît donc que pour comprendre ces facteurs essentiels il faut analyser le rôle joué par les pertes acoustiques. C’est pourquoi une grande partie de mon travail a consisté à étudier les effets viscothermiques en acoustique avec écoulement. En outre, il s’avère que ces effets doivent être pris en compte pour permettre l’analyse fine des résultats expérimentaux. Dans un premier temps, j’ai donc entrepris une solide recherche bibliographique sur le sujet. Puis, en collaboration avec Y. Aurégan, j’ai mis en évidence des modes de conduits hydrodynamique et entropique avec écoulement uniforme et j’ai étudié l’effet de l’interaction de la couche limite acoustique avec la couche limite d’un écoulement rasant. Ensuite, je me suis attaché à utiliser des outils théoriques déjà employés pendant ma thèse (développement en perturbation) pour modéliser l’acoustique avec écoulement cisaillé et pertes viscothermiques. Ces résultats théoriques seront comparés aux mesures fournies par les expériences que nous nous commençons à réaliser avec Y. Aurégan sur le banc à écoulement du LAUM. Cette théorie ne permet de modéliser que partiellement les résultats expérimentaux, ce qui montre l’importance des effets des fluctuations turbulentes de l’écoulement. Ainsi dans une seconde étape, une étude sur l’interaction entre une onde acoustique et un écoulement turbulent a été initiée dans le cadre d’un contrat « Sciences et Technologies pour le Transport Supersonique » en collaboration avec l’équipe « Instabilité-Turbulence-Diphasique » de Institut de Mécanique des Fluides et des Solides de Strasbourg (UMR 7507). Cette étude s’intéresse à l’atténuation en conduit droit d’un point de vue numérique et expérimental. L’IMFS fait des calculs dans un canal droit pulsé par les méthodes de simulation numérique directe et de simulation des grandes échelles (la thèse de M. Haberkorn soutenue en décembre 2004 porte sur ce sujet). Ces résultats seront comparés à ceux obtenus sur un nouveau banc de mesure de section rectangulaire en cours de mise au point au LAUM. [article A20. colloques C31, C34 et C36]

Contrats

- contrat SNECMA « Modélisation de traitements acoustiques réactifs/passifs à réaction nonlocale dans les conduits, et optimisation en vue de la réduction du bruit rayonné par les nacelles » ( 2000-2004)
- contrat du Ministère de la Recherche(Supersonique) « Propagation acoustique dans les conduits traités : influence de la température et de l’écoulement sur l’impédance de paroi » ( 2001-2005)
- contrat européén « Silencer » (2001-2006)
- contrat EADS

Organisation d’Ecoles d’Eté et de Colloques
V. Pagneux, A. Maurel (Paris) et P. Petitjeans (Paris) : Ecole d’Eté “Vortex en Physique” à Cargèse (Corse) qui s’est déroulée du 4 au 18 juillet 2004

Publications

- Articles

A16- S. Félix & V. Pagneux, Sound attenuation in lined bends, J. Acoust. Soc. Am., 116(4) : 1921-1931 (2004)

A23- W.P. Bi, V. Pagneux, D. Lafarge & Y. Aurégan, Modelling of sound propagation in a non-uniform lined duct using a Multi-Modal Propagation Method, J. Sound. Vib. 289(4-5) : 1091-1111 (2006)

A26- S. Félix & V. Pagneux, Green function in a duct carrying parallel shear flow, soumis à Wave Motion

A28- V. Pagneux, Viscothermal effect on sound propagation in tube with mean parallel shear flow, en préparation

A29- L. Bareau & V. Pagneux Axisymmetric waves in thermovisous fluids contained in rigid tubes : analysis of the three families of modes, en préparation

- Actes de Congrès

C25- M. Leroux, S. Job, Y. Aurégan & V. Pagneux, Acoustical propagation in lined duct with flow. Numerical simulations and measurements, Proc. 10th Int. Cong. Sound Vib., 3255-3262 (2003)

C26- W.P. Bi, D. Lafarge, V. Pagneux & Y. Aurégan, Sound propagation in nonuniform lined duct by the multimodal method, Proc. 10th Int. Cong. Sound Vib., 3229-3236 (2003)

C27- V. Pagneux, Couches limites de Stokes sur des parois rugueuses, Proc. 16ème Congrès Français de Mécanique, 5 pages (2003)

C28- S. Félix & V. Pagneux, Fonction de Green dans un écoulement cisaillé, Proc. 16ème Congrès Français de Mécanique, 6 pages (2003)

C29- S. Félix & V. Pagneux, Propriétés de diffusion de guides d’ondes courbes, Proc. 16ème Congrès Français de Mécanique, 6 pages (2003)

C30- S. Félix & V. Pagneux, Atténuation dans un guide courbe traité en parois, Proc. 16ème Congrès Français de Mécanique, 6 pages (2003)

C31- M. Haberkorn, V. Pagneux, G. Bouchet, Y. Aurégan & P. Comte, Propagation acoustique en simulation des grandes échelles dans un écoulement de canal plan turbulent , Proc. 16ème Congrès Français de Mécanique, 6 pages (2003)

C33-Y. Aurégan, M. Leroux & V. Pagneux, Measurement of liner impedance with flow by an inverse method, AIAA paper, AIAA-2838-2004 (2004)

C34- P. Comte, C. Brun, M. Hakerborn, G. Bouchet, V. Pagneux & Y. Aurégan, Compressibility effects and sound propagation in turbulent channel flow, Conf. Proc. XXI ICTAM 2004, FM24S-12740 (2004)

C36- M. Haberkorn, V. Pagneux, G. Bouchet, Y. Aurégan & P. Comte, Large eddy simulation of acoustical propatation in turbulent channel flow, Proc. joint congress CFA/DAGA’04, 567-568 (2004)

C39- Y. Aurégan & V. Pagneux, Attenuation of acoustical waves in duct with flow, Proc. joint congress CFA/DAGA’04, 831-832 (2004)

C41- L. Bareau & V. Pagneux, Analyse des trois familles de modes de propagation en guide d’onde cylindrique, Proc. 17ème Congrès Français de Mécanique, 6 pages (2005)

C42- W. P. Bi, V. Pagneux, D. Lafarge, and Y. Aurégan, Characteristics of penalty mode scattering by rigid splices in lined ducts, 11th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA Paper 2005-2897 (2005)