Identification des sources de bruit aérodynamique liées aux écoulements de jeu en tête de pale de soufflante de turboréacteur

Abstract

Les nouvelles réglementations en matière de contrôle des émissions sonores des futures générations d’aéronefs contraignent les motoristes à développer des systèmes de propulsion de moins en moins bruyants. L’étage de soufflante d’un turboréacteur étant la source de bruit la plus importante d’un avion en phases d’approche et de décollage, il convient alors de s’intéresser de près aux sources de bruit d’origine aérodynamique que l’on rencontre au sein de cet étage. En particulier, le manque de connaissances sur les phénomènes physiques à l’origine du bruit émis par l’écoulement de jeu en tête de pale de soufflante de turboréacteur a conduit à cette thèse. Cette dernière vise ainsi à reproduire de façon numérique, par l’utilisation de méthodes haute-résolution (LES pour Large-Eddy Simulation), l’écoulement de jeu autour de trois configurations particulières, puis à identifier les principales sources de bruit de jeu. La première configuration est composée d’un profil fixe placé entre deux plaques planes, avec la présence d’un jeu entre le profil et l’une des plaques. Cette configuration académique vise à mettre en avant les sources issues de l’écoulement de jeu sans prendre en compte l’ensemble des mécanismes que l’on rencontre au sein d’une turbomachine. Puis, une grille d’aubes de compresseur linéaire avec jeu constitue la seconde configuration à l’étude, afin de mettre en avant l’influence de l’effet de grille dans les mécanismes de production et de propagation d’ondes acoustiques issues de l’écoulement de jeu. Enfin, une pale de turboréacteur à double flux constitue l’application industrielle finale, afin de prendre en compte l’ensemble des mécanismes à l’origine du bruit de jeu, en particulier pour mettre en avant l’influence des effets de rotation. Les simulations numériques sont validées en comparant les résultats aérodynamiques et acoustiques aux résultats des études expérimentales effectuées sur les mêmes configurations. Puis, les sources de bruit sont analysées via l’identification des principales structures tourbillonnaires issues de l’écoulement de jeu et leur interaction avec les surfaces adjacentes. Pour finir, des techniques avancées de post-traitement basées sur l’écoulement instationnaire permettent de localiser les sources de bruit et d’identifier les fréquences de propagation associées.

Abstract: Future aircraft propulsion systems have to face new regulations for noise emissions. De- creasing the noise emitted by a turbofan engine is now one of the main constraints for engine manufacturers. Fan noise is known as the major noise source at approach and take- off regimes for a modern turbofan engine, and in particular the tip noise source from the tip-leakage flow is lacking some physical understanding. Thus, the main purpose of this thesis is to needed to fully understand the main mechanisms that drive the formation and the propagation of the acoustic waves created by the interaction of the tip-leakage flow with the adjacent surfaces. The second goal of this thesis is to reproduce numerically the tip-leakage flow for three particular configurations using high-fidelity simulations (Large- Eddy Simulations), and then identify the main noise sources. The first configuration is composed of a fixed airfoil mounted between two flat plates, with a gap between the airfoil and one of the plates. This academic configuration aims at highlighting the tip-gap source only without taking into account other phenomena involved in the tip-leakage flow inside a turbofan engine. Then, a linear compressor cascade with tip gap constitutes the second configuration and allows identifying the influence of the cascade effects on the emission and propagation mechanisms related to the tip noise sources. Finally, a turbofan blade from a modern scaled turbofan engine represents the industrial test case in order to take into account all the mechanisms involved in the noise emission, especially to highlight the influence of the rotational effects. Numerical simulations are validated through compar- isons of the aerodynamic and acoustic fields with experimental results achieved on the same configurations. Then, the noise sources are analyzed thanks to the identification and the interaction of the main vortical structures from the tip-leakage flow. Finally, advanced post-processing techniques based on the unsteady flow allow localizing the noise sources and identifying their propagation frequencies.