Projet ANR-12-BS09-0024 – Cool Jazz : Modélisation linéaire et non-linéaire de l’aéroacoustique des jets, orientée vers son contrôle
Programme : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Lutz LESSHAFFT (Laboratoire d'Hydrodynamique)
Partenaires : Laboratoire d'Hydrodynamique; Laboratoire d'Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l'Ingénieur; Institut P' : Recherche et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Energétique
Montant : 397499.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Comprendre, modéliser et supprimer l'émission sonore des jetsLe 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.
Quatre objectives :(1) Elucider les mécanismes de la production de bruit dans les jets turbulents subsoniques;(2) basé sur la compréhension de ces mécanismes, concevoir des modèles réduits d'un jet en tant que source acoustique, adaptés au contrôle actif de l'écoulement;(3) Développer, tester et valider des stratégies de contrôle en boucle fermée, avec et sans modèle dynamique réduit;(4) Combiner les avancements des trois premiers objectifs dans le but d'implémenter un contrôle en boucle fermée dans une expérience, afin de réduire le bruit émis par un jet turbulent à haut nombre de Reynolds.
Modélisation orientée vers le contrôle, confrontée aux expériencesL'approche CoolJazz est fondé sur l'hypothèse que les mécanismes dominant la génération de bruit peuvent être conceptualisés comme des paquets d'ondes de grandes échelles. Traditionellement, tels paquets d'ondes sont représentés comme étant dûs à une instabilité linéaire de l'écoulement moyen turbulent, mais cette description paraît trop simpliste pour conduire aux prédictions fiables de l'émission de bruit. Les effets non-linéaires doivent être pris en compte par la modélisation, et la séparation des échelles temporelles, entre les variations lentes de l'écoulement de base et les perturbations rapides, doit être confronté aux observations expérimentales. Les modèles réduits permettants le contrôle en temps réel seront ensuite conçus. Une approche «model-free« sera développée en parallèle, basé uniquement sur l'analyse de donnés.Les expériences sont menées aux nombre de Mach entre 0.6 et 0.9. La dynamique des instabilités en champ proche et l'émission acoustique en champ lointain sont mésurées par un réseau de microphones de haute précision.
Résumé de la soumission : 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).
Résultats : Le formalisme de la réponse frequentielle linéaire a été appliqué avec succès au cas d'un écoulement moyen d'un jet turbulent, mis à disposition par Richard Sandberg (University of Southampton). La méthode prédit correctement le rayonnement acoustique aux basses fréquences. Plusieurs stratégies pour la modélisation de la viscosité turbulente ont été testé ; aucun effet prononcé a été constaté à présent.
Perspectives : L'analyse de la réponse fréquentielle (le forçage optimal) linéaire et non-linéaire sera appliquée aux écoulement moyens des jets expérimentaux, dans l'objectif d'en obtenir des prédictions précises de leur rayonnement acoustique. Le contrôle des paquets d'ondes générateurs de bruit sera entrepris par la suite, basé sur les techniques «model-based« et «model-free«.
Publications et brevets : 1. Garnaud, Sandberg & Lesshafft (2013): “Global response to forcing in a subsonic jet: instability wavepackets and acoustic radiation”, AIAA Paper 2013-2232.
2. Garnaud, Lesshafft & Huerre (2013): «Global flow response of a RANS jet to inflow forcing«, presentation au Euromech Colloquium «Trends in Open Shear Flow Instability«, juillet 2013.