Ondes acoustiques et frottement pariétal dans des écoulements turbulents en présence de matériaux absorbants – ACOUDRAG

La réduction de l'empreinte environnementale des avions, par la baisse de leur consommation de carburant et de leur émission sonore, est un enjeu majeur qui passe par de nouvelle avancées scientifiques et technologiques. Avec l’arrivée des réacteurs à haut taux de dilution et la diminution du bruit de jet qu’ils permettent, les ondes acoustiques générées par les pales de la soufflante sont devenues une composante prépondérante du son émis et leur atténuation est plus que jamais nécessaire. Les réacteurs d’avion utilisent des matériaux insonorisants (appelés acoustic liners en anglais) pour réduire leur émission de bruit. Dans leur architecture la plus répandue, ceux-ci sont constitués de petites cavités résonantes placées dans l’épaisseur de la nacelle du réacteur, qui sont séparées de l’écoulement par une plaque perforée. Lors de leur propagation, les ondes acoustiques générées par la soufflante sont en partie transformées en tourbillons dans les cavités du matériau absorbant, lesquels sont in fine dissipés par viscosité. C’est le mécanisme classique d’absorption de l’énergie sonore. Dans les réacteurs d’avion, une spécificité est que les ondes acoustiques se propagent dans un écoulement rasant turbulent, ce qui a plusieurs conséquences. D'une part, cet écoulement modifie la réponse acoustique du revêtement, c’est-à-dire son impédance acoustique, dont la définition même pose problème avec écoulement. D’autre part, le matériau affecte la structure de la couche limite turbulente, ce qui a un effet néfaste sur la trainée, signifiant que l’absorption sonore se fait au détriment de la consommation. Ainsi, une interaction entre trois acteurs différents se met en place : l'écoulement turbulent, l'onde acoustique, et le revêtement acoustique. Cette interaction est complexe de par sa nature fortement non linéaire et nécessite d'être étudiée dans son ensemble, ce qui fait l'objet du projet ACOUDRAG. Ce projet répond au besoin d'accroître les connaissances fondamentales dans deux domaines mentionnés dans l'Axe B.4 de l'Appel à Projets Générique 2023 (Ingénierie et Sciences des Procédés) : la mécanique des fluides et l'aéroacoustique. Il rassemble deux partenaires : l’Institut PPRIME (Université de Poitiers, CNRS), et l’ONERA Toulouse, un établissement public à ambition industrielle.
Le projet ACOUDRAG cherche à éclaircir la physique de l'écoulement à proximité d'une surface traitée acoustiquement en considérant deux problèmes liés : (1) Comment les revêtements réagissent-ils aux structures turbulentes, comment ces dernières modifient-elles l’impédance acoustique ? (2) Comment quantifier l'effet de l'interaction onde acoustique/paroi sur la dynamique de l'écoulement ? En particulier se pose la question de l’impact de l’onde acoustique sur la trainée et des paramètres régissant cette interaction. Pour apporter une réponse à ces questions, le positionnement du projet consiste à utiliser des simulations numériques à haute-fidélité ainsi que des techniques de mesure résolues en temps. Les simulations numériques seront réalisées à PPRIME et porteront sur des écoulements de canal pleinement turbulents, où les échelles de la turbulence seront intégralement incluses ou partiellement modélisées, et la géométrie du matériau absorbant sera pris en compte. Les expériences seront réalisées à l’ONERA, qui dispose de deux bancs de mesures performants associant mesures microphoniques et vélocimétrie laser, et autorisant la mesure du frottement pariétal. Les partenaires définiront des configurations communes et partageront leurs méthodologies d’analyse. Leurs contributions complémentaires fourniront une base de données fiable et complète. Son analyse permettra d'élucider et de modéliser la dynamique des écoulements, et guidera la conception de nouveaux matériaux, permettant aux revêtements acoustiques de maximiser leurs propriétés d'absorption acoustique et de minimiser leur traînée. La base de données sera publiée en libre accès pour la communauté.