Contrôle du bruit rayonné par l’hydrodynamique instationnaire d’une pale de sous-marin sur paroi glissante – LOTUS

L’utilisation récente de surfaces glissantes comme les surfaces super-hydrophobes et les surfaces infusées a montré une capacité remarquable à réduire le décollement pour des écoulements autour de corps fins et épais simples. Ces surfaces permettent notamment de modifier la position du point de décollement et ainsi la dynamique de la zone de décollement, ce qui est crucial pour des applications marines et hydroacoustiques. Cependant, la conception de stratégies permettant de réduire le bruit rayonné lors du décollement reste une question ouverte. Dans les problématiques liées à la propulsion, la première phase du décollement est caractérisée par des zones de décollements naissantes qui sont composées d’évènement précurseurs au décollement massif. Ces dernières ont un caractère fortement instationnaire et favorisent donc le rayonnement acoustique. L’ambition de ce projet est de comprendre, dans un premier temps, comment les surfaces glissantes permettent d’atténuer le bruit hydroacoustique en s’appuyant sur une approche multi-échelles pluridisciplinaire couplant expériences de laboratoire et simulations de haute fidélité. Nous proposons ensuite une stratégie innovante pour la conception et l’optimisation de surfaces infusées par des liquides sur un profil d’hélice ayant pour but de contrôler le décollement naissant afin d’atténuer le bruit rayonné par l’hélice. Le projet, mené conjointement par PRISME et ENSTA Paris permettra d’explorer une très large gamme de paramètres physiques associés à (i) la turbulence amont, (ii) la déformation de l’interface glissante et (iii) les régimes de cavitation.

L’ambition du projet LOTUS vise à établir une méthodologie en vue de la manipulation et de l’optimisation systématique des écoulements turbulents et de l’hydroacoustique en géométrie complexe, au moyen de surfaces glissantes. Le but final de cette étude vise à démontrer la faisabilité d’une méthode de contrôle passive, basée sur des surfaces infusées par des liquides, pour atténuer le bruit rayonné par la turbulence ainsi que la cavitation sur des pales de sous-marin.

L’étude combine la simulation numérique haute résolution pour la caractérisation des écoulements turbulents, une méthode d’optimisation basée sur la simulation pour la conception des surfaces glissantes, ainsi qu’une caractérisation expérimentale dans un tunnel hydrodynamique de cavitation. Cette étude aborde plusieurs verrous scientifiques concernant l’analyse et la conception de surfaces glissantes en vue du contrôle passif pour l’hydroacoustique. L’originalité de ce projet réside dans l’utilisation de méthodes adjointes pour optimiser des surfaces texturées qui permettent de prendre en compte la complexité de l’écoulement turbulent dans la conception de la paroi glissante. Pour ce faire, nous aurons recours à la simulation numérique directe et aux grandes échelles pour la simulation et l’analyse du bruit rayonné par la turbulence et une paroi déformable. Le bruit rayonné sera modélisé suivant l’analogie de Lighthill et la conception de parois glissantes sera dédiée à l’atténuation du bruit. De plus, les meilleurs concepts seront mis à l’épreuve dans un tunnel de cavitation et un diagnostic fin des mécanismes physiques permettant d’atténuer la naissance des bulles de cavitation sera mis en œuvre.

Le projet s’articule autour de quatre tâches:

(i) La simulation haute fidélité d’écoulements turbulents en présence d’un gradient de pression sur paroi
déformable représentatif d’un écoulement autour d’une pale de sous-marin.
(ii) La conception d’une paroi glissante à l’aide de méthodes adjointes en vue de l’atténuation du bruit
généré par la turbulence et le décollement sur une paroi glissante déformable.
(iii) L’analyse du bruit généré par la turbulence dans un canal hydrodynamique.
(iv) La mise en œuvre de la meilleure géométrie et l’application à un démonstrateur d’hélice dans un canal
hydrodynamique de cavitation.