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Modélisation linéaire et non-linéaire de l’aéroacoustique des jets, orientée vers son contrôle – Cool Jazz

Les paquets d'ondes dans les jets turbulents et leur potentiel pour le contrôle

Le projet CoolJazz a pour objectif d'identifier les mécanismes de la production de bruit dans les jets turbulents subsoniques, et de développer des stratégies de contrôle en boucle fermée pour la réduction du bruit de jet. Une approche intégrée associe théorie, expérience et simulation numérique.

La caractérisation des mécanismes physiques à l'origine des paquets d'ondes, et leur utilisation dans la réduction du bruit de jet

Le projet «Cool Jazz« étudie la dynamique des paquets d'ondes dans les jets turbulents subsoniques, leur rôle dans la génération du bruit de jet, ainsi que la possibilité de leur contrôle pour réduire ce bruit. Sur le plan fondamental, l'étude vise d'abord à expliquer comment ces structures cohérentes sont générées dans les jets turbulents à haut nombre de Reynolds, pour ensuite étudier leur dynamique à l’aide de la théorie des instabilités linéaires, ce qui fournit les clés pour comprendre leur rôle dans la génération de bruit acoustique. Sur le plan applicatif, cela permet de concevoir des stratégies de réduction du bruit de jet basées sur un contrôle en boucle fermée de la dynamique de ces paquets d’ondes.

Dans ce projet, les paquets d'ondes sont étudiés par trois approches complémentaires : l’extraction des structures cohérentes à partir de données expérimentales et numériques, le calcul des instabilités linéaires des jets et l’étude du caractère deterministe de ces écoulements turbulents comme des systèmes dynamiques. L'expertise requise dans chacun de ces domaines est fournie par les différents partenaires de l’étude. Ainsi, cela a permis de construire des modèles d'ordre réduit en se basant sur les paquets d'ondes identifiés, afin d'obtenir les prédictions nécessaires pour la conception du contrôle. À chaque étape, le succès de la modélisation et du contrôle est validé par confrontation aux données expérimentales et numériques.

De larges bases de données expérimentales ont été construites pour des nombres de Mach de 0,4 et 0,9. Leur étude a permis de démontrer que les structures cohérentes des jets, définies en tant que modes propres de la densité spectrale, correspondent, au sens statistique, à la réponse linéaire du jet à un forçage optimal obtenu par analyse de stabilité. La non-linearité dans les modèles construits agit comme un forçage stochastique des structures linéaires. Les paquets d'ondes permettent de modéliser efficacement l’écoulement, et ils s'avèrent être particulièrement contrôlables.

Ce projet a ouvert des perspectives très intéressantes pour la modélisation de la dynamique des jets, fondé sur une théorie linéaire, et pour l'utilisation de ces modèles pour le contrôle en boucle fermée. Notre consortium de partenaires internationaux continuera a exploiter ces ouvertures.

Ces résultats ont été mis en valeur dans un grand nombre de publications et de présentations aux conférences internationales, et les données obtenues ont été mises à disposition de la communauté scientifique. Enfin, pour clôturer le projet, un colloque international sur le thème «Jet Noise Modelling and Control« se tiendra à l’École polytechnique en septembre 2016.

Le programme de recherche proposé vise à identifier les mécanismes générateurs de bruit en jets turbulents subsoniques et à l'élaboration de lois de contrôle en boucle fermée pour la réduction du bruit de jet par manipulation de l’écoulement. Une approche interdisciplinaire combine l’expérimentation, la simulation numérique et la modélisation théorique dans un effort coordonné de trois laboratoires aux compétences complémentaires. Alors que des stratégies du contrôle optimal peuvent en principe, en s’appuyant de façon empirique sur des simulations numériques à un coût de calcul énorme, prendre en compte la totalité du spectre turbulent, la présente proposition est axée sur la composante du bruit dominant, associée aux grandes structures cohérentes de l'écoulement qui animent le champ sonore aux petits angles. Des progrès dans la compréhension fondamentale de la dynamique de ces structures cohérentes, ainsi que de leur impact sur la production sonore, fourniront des orientations pour de nouvelles stratégies de contrôle actif visant à réduire le bruit de jet.

Le programme aborde les questions suivantes : quels sont les mécanismes gouvernant la formation de structures ordonnées dans un jet turbulent ? Ces structures peuvent-elle être décrites avec précision en tant que paquets d’onde d'instabilité, superposés à un écoulement moyen stationnaire, comme cela a souvent été supposé ? Dans quelle mesure les phénomènes non linéaires déterminent la structure du paquet d’onde ainsi que le champ acoustique généré ? Et, comment la connaissance de ces mécanismes peut-elle contribuer à la réduction du bruit ? Des stratégies de contrôle seront calculées, et elles seront testées sur une expérience réelle en fin du projet.

Le projet s'appuie sur des études actuellement en cours chez les trois partenaires, pour l'instant menées indépendamment sans collaboration formelle. Le potentiel de synergie entre ces activités complémentaires est considérable et ce projet vise à fournir à la fois un cadre pour une interaction coordonnée et des objectifs scientifiques communs. Des outils méthodologiques et des résultats préliminaires sont déjà disponibles pour chaque grande étape du projet. Il s'agit, en particulier, d'expériences en cours sur la dynamique des jets et leur signature acoustique (PPRIME); d'un code numérique éprouvé en formulation LES; des outils numériques pour l'analyse des instabilités de jet (LadHyX), actuellement utilisés sur des configurations modèles mais à visée pour des applications sur des données de jet réel. Par ailleurs, des concepts de contrôle sans modèle, développés au LadHyX, à l'ONERA et au LIMSI et utilisés avec succès pour la réduction des émissions sonores d'un écoulement de cavité, ainsi des méthodes de réduction de modèle pour le contrôle d'écoulement (chaire d'excellence ANR à PPRIME) ont également été proposés et sont maintenant disponibles. Des collaborations internationales sur le bruit de jet sont déjà en place avec Tim Colonius (California Institute of Technology) et André Cavalieri (Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Sao José dos Campos, Brésil) et seront renforcées au cours de ce projet.

Le projet nécessite le financement (i) d'un étudiant de thèse et de quatre années de postdocs, (ii) d'un équipement expérimental pour l'imagerie de particules par vélocimétrie laser pour les écoulements rapides, (iii) des dépenses liées à la participation à des conférences et la collaboration entre les partenaires, y compris les collaborateurs externes (Caltech et ITA).

Coordinateur du projet

Monsieur Lutz LESSHAFFT (Laboratoire d'Hydrodynamique) – lutz.lesshafft@ladhyx.polytechnique.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS DR -ILE DE FRANCE SUD
Pprime Recherche et Ingénierie en Matériaux Mécanique et Energétique pour les Transports, l’Energie et l’Environnement
LIMSI Laboratoire d'Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l'Ingénieur
LadHyX Laboratoire d'Hydrodynamique

Aide de l'ANR 397 499 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2012 - 36 Mois

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