FR2682435A1 - Procede et dispositif pour reduire le bruit d'un ecoulement subsonique. - Google Patents

Abstract

En écoulement subsonique, l'interaction d'une couche limite turbulente avec le bord de fuite d'un organe aérodynamique crée un bruit gênant. Pour l'éviter, le bord d'un convergent (10) est prolongé par un matériau poreux (17), faisant partie d'une enceinte annulaire (15) mise sous dépression. La couche limite (11) est alors aspirée en (11a), ce qui réduit le bruit.

Description

Procédé et dispositif pour réduire le bruit d'un écoulement subsonique.

L'invention concerne l'interaction d'un solide avec un fluide en écoulement, dans le domaine subsonique.

De tels écoulements produisent des bruits gênants. Si le fluide est de l'air, les bruits sont engendrés par les aéro nef s, les tuyères, les ventilateurs, les turboréacteurs ou analogue ainsi que les véhicules terrestres. Le fluide étant de l'eau, en particulier l'eau de mer, les bruits sont produits par exemple par des sous-marins ou des pompeshélices.

L'invention s'intéresse plus précisément aux bruits causés par la turbulence. I1 s'agit alors d'un bruit provoqué par l'interaction d'une couche limite turbulente avec le bord de fuite d'un organe aérodynamique, qui est par exemple une tuyère, un profil, une aube en particulier de rotor ou bien un stator, pour ne considérer que le cas où le fluide est de l'air.

Le concept de "bruit gênant" est à préciser. L'invention peut s'appliquer bien sûr à la gêne causée à l'homme. Mais elle concerne surtout la gêne due à de tels bruits en instrumentation. En effet, ces bruits peuvent rendre des mesures plus difficiles. Ils peuvent également servir de signal, permettant de repérer un objet, alors que la "discrétion" est requise pour celui-ci.

La présente invention a pour but d'apporter une solution à ce problème.

Pour cela, est proposé tout d'abord un procédé pour réduire les bruits d'écoulements subsoniques, résultant de l'interaction d'une couche turbulente avec une singularité de géométrie d'un solide, telle qu'un obstacle ou un bord de fuite.

I1 peut s'agir aussi de l'interaction de la turbulence au coeur de l'écoulement, avec un obstacle.

Selon l'invention, on réduit au moins partiellement la cohérence du champ de pression pariétale au voisinage du bord de fuite ou d'un obstacle fixe ou en mouvement relatif.

Selon un premier aspect de l'invention, ceci est obtenu par le fait qu'on aspire la couche limite turbulente, au moins en partie, au voisinage du bord de fuite ou de l'obstacle.

L'aspiration s'effectue avantageusement à travers un matériau poreux, précédant le bord de fuite ou à travers des fentes au voisinage de l'obstacle.

Dans une application, le bord de fuite est celui du convergent d'admission de la veine libre d'une soufflerie anéchoique.

Dans une autre application, l'obstacle est une pale de soufflante de turboréacteur dont l'extrémité évolue dans la couche limite du carénage d'admission
Dans un mode de réalisation particulier, les aubes de la soufflante sont ceinturées par un cerclage, l'aspiration se faisant entre le carénage d'admission et ce cerclage.

De préférence, on aspire également, au moins en partie, l'une au moins des couches limites existant près des bords de fuite des supports d'une part et près des aubes de stator d'autre part.

Selon un autre aspect de l'invention, on équipe le bord de fuite d'éléments propres à supprimer la cohérence du champ de pression pariétale.

Pour cela, on peut tout d'abord incorporer ou ajouter au bord de fuite, en affleurement, un matériau viscoélastique ou poreux, propre à absorber une partie au moins de la puissance de turbulence développée dans la couche limite.

On peut également prévoir, dans le bord de fuite, ou en prolongement de celui-ci, des aspérités ou dentelures propres à supprimer la cohérence du champ de pression pariétale au voisinage dudit bord de fuite.

On peut encore prévoir des obstacles en forme de bandes dont la grande dimension est parallèle à l'écoulement et perpendiculaire au bord de fuite, tandis que leur petite dimension, perpendiculaire à la surface de l'organe de guidage, est de l'ordre de grandeur de l'épaisseur de la couche limite; l'écart entre deux obstacles voisins est choisi inférieur à la longueur de cohérence transversale de la couche limite.

En variante, ou en complément, on fixe à la surface de l'or- gane de guidage, en amont du bord de fuite, des groupes d'éléments filiformes dont la longueur est de l'ordre d'une dizaine de fois l'épaisseur de la couche limite, tandis que l'écart entre deux groupes voisins est inférieur à la longueur de cohérence transversale de la couche limite.

Selon encore un autre aspect de l'invention, les bords d'attaque des profils, pales ou aubes placés dans l'écoulement turbulent sont au moins en partie constitués d'un matériau viscoélastique souple ou poreux.

L'invention prévoit aussi que l'on module localement la forme de la paroi, en plusieurs points séparés d'une distance inférieure à la longueur de cohérence. Cette modulation peut, avantageusement, être asservie à une détection de spectre et/ou d'amplitude de la pression pariétale.

Bien entendu, l'invention concerne également les dispositifs permettant la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, en toutes ses variantes.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 illustre une application de l'invention dans le cas d'un convergent tel que celui d'une soufflerie anéchoique; - la figure 2 illustre l'application de l'invention au cas d'une soufflante d'admission de turboréacteur; - la figure 3 illustre une application de l'invention à un organe aérodynamique tel qu'une tuyère, un profil, une pale ou une aube; et - la figure 4 illustre la mise en oeuvre de l'invention par le déplacement d'une surface d'un organe aérodynamique.

Les dessins annexés comportent des formes géométriques et/ou des aspects de caractère certain. En conséquence, ils pourront non seulement servir à mieux faire comprendre l'invention, mais aussi contribuer à la définition de celle-ci.

Une soufflerie anéchoîque est constituée d'une chambre dont les parois absorbent les ondes sonores incidentes, et dans laquelle est produit un écoulement d'air en veine libre entre un convergent d'admission et une reprise.

I1 est naturellement souhaitable d'éliminer autant que possible les sources de bruit dans une telle soufflerie, pour que la mesure soit bien représentative.

On sait atténuer d'une part les bruits dus à la motorisation de la soufflerie, par exemple par des panneaux acoustiquement absorbants dans un volume de grande section, situé entre la veine d'essai et le ventilateur. On sait aussi atténuer les vibrations et bruits extérieurs, par un découplage mécanique de la chambre anéchoique par rapport au sol et aux autres bâtiments,ainsi que par les parois anéchoiques elles-mêmes et divers dispositifs de silencieux.

La présente invention vient permettre la diminution du bruit d'écoulement d'une telle soufflerie.

Il a été observé que, dans la veine libre d'une soufflerie anéchoîque à vitesse modérée (nombre de Mach au plus égal à 0,5), les sources de bruit de la zone de mélange (de type quadripolaire et croissant avec la puissance 8 de la vitesse) sont faibles par rapport au bruit émis par le bord du convergent d'admission (de type dipolaire et croissant avec la puissance 5 de la vitesse).

La Demanderesse a également constaté que le bruit émis par le bord de fuite est dû à la diffraction des fluctuations aérodynamiques de la couche limite turbulente. La densité spectrale de puissance acoustique rayonnée par le bord de fuite, à 900 de l'axe du jet que constitue la veine libre de l'écoulement, dépend alors d'une grandeur que l'on appelle "spectre de pression pariétale réduite1,, en fréquence et nombre d'ondes.

L'invention consiste alors à réduire la cohérence de ce spectre de pression pariétale, par le moyen plus radical consistant à réduire le spectre lui-même, en aspirant la couche limite turbulente le plus près possible du bord de fuite du convergent d'admission.

Le mode de réalisation illustré sur la figure 1 permet de réaliser silencieusement cette aspiration de la couche limite, en plaçant une paroi poreuse en extrémité de convergent.

L'homme de l'art reconnaitra en 10 la paroi du convergent d'admission, qui possède une forme de révolution. Côté intérieur, elle est avoisinée par une couche limite turbulente 11. La direction générale du jet ou veine libre est définie par la flèche DE.

Selon l'invention, un rebord tourné vers l'extérieur 12 du convergent d'admission reçoit en appui un volume torique 15 défini par une enceinte annulaire 16. La face interne 17 de cette enceinte annulaire est constituée d'un matériau poreux.

Dans une zone située par exemple en partie basse, on prévoit une canalisation de pompage 18, reliée à une pompe non représentée. I1 s'ensuit une aspiration de la couche limite 11, ainsi qu' illustré en llA.

Plus précisément, le volume torique 15 peut être relié à une réserve de vide par l'intermédiaire de la canalisation 18 qui est longue (on peut aussi prévoir plusieurs canalisations). La ou les canalisations 18 comportent avantageusement un col sonique pour stabiliser le débit.

I1 est par ailleurs intéressant que la forme de la section du volume torique comporte un angle aigu au bord de fuite du convergent, en 19, de façon à peu perturber l'écoulement extérieur et à ne pas créer de surface acoustiquement réfléchissante.

EXEMPLE 1.

On considère un bord de fuite de 10 mètres de long, qui est le développement d'un convergent de 3 mètres de diamètre environ. L'épaisseur de la couche limite à une vitesse d'écoulement de 100 mètres par seconde est d'environ un centimètre. Le débit nécessaire pour aspirer la couche limite est de l'ordre de 10 mètres cube par seconde, soit environ 2% du débit de la soufflerie. Avec une transparence de paroi poreuse de 50% et une vitesse d'aspiration de 10 mètres/seconde sous la paroi poreuse, la longueur, dans le sens de l'écoulement, de la paroi poreuse, est d'environ 20 centimètres.

I1 est maintenant fait référence à la figure 2 qui, on le rappelle, concerne une soufflante de turboréacteur.

Dans le turboréacteur, il est extrêmement délicat de réduire le bruit au niveau des tuyères (de flux chaud en particulier).

En effet, on ne connaît pratiquement aucun dispositif qui permette une telle réduction de bruit, sans qu'elle ne s'accompagne d'une perte de rendement de propulsion prohibitive.

I1 est intéressant de chercher à réduire le bruit des soufflantes d'admission de turboréacteurs. De nombreux moyens ont été proposés et utilisés. Ils permettent des améliorations significatives, mais non déterminantes.

L'invention vient proposer un moyen plus efficace.

Sur la figure 2, l'homme de l'art reconnaîtra en 20 le carénage d'admission d'une soufflante, situé juste en amont du rotor. On sait en effet que, pour éviter un bruit excessif, il n'y a maintenant plus d'aubage en amont du rotor, dans une telle soufflante.

Selon l'invention, on aspire la couche limite en 25, dans la paroi du carénage, juste en amont du rotor 21. Comme précédemment, la flèche DE désigne la direction de l'écouliement On reconnaît en 22 le moyeu central du rotor.

Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, les aubes 21 du rotor sont ceinturées par un cerclage 23, améliorant la résistance de l'ensemble. Le carénage 20 comporte alors une gorge 26, faisant la place nécessaire au cerclage 23, de façon que l'écoulement principal ait une section constante. Les jeux entre parties fixes et mobiles servent alors à l'aspiration de couches limites, totale ou partielle, comme indiqué en 25. En pratique, le jeu aval est rendu minimal, et le jeu amont est déterminé par le débit d'aspiration de couche limite choisi.

L'aspiration se fait de préférence à travers un matériau poreux assez lisse, par exemple un feutre métallique, une toile métallique fine tissée, ou encore une tôle à perçage dense et fin.

Dans certaines applications, il peut ne pas exister d'emplacements disponibles permettant de prévoir un point de rejet à pression inférieure à celle du point d'aspiration. En pareil cas, on peut prévoir un ou des ventilateurs à l'intérieur du carénage périphérique 20.

Dans une mise en oeuvre plus complète encore de l'invention, on aspirera aussi la couche limite près des bords de fuite des supports et des aubes de stator.

Plus généralement, des phénomènes turbulents existent dans les couches limites, au voisinage d'un bord de fuite d'une tuyère,d'un profil, d'une pale ou d'une aube, où ils vont engendrer des bruits.

Le Demandeur a constaté que la densité spectrale de puissance acoustique rayonnée par le bord de fuite, à 900 de l'axe du jet, peut alors être écrite d'une manière simple, comme proportionnelle à la longueur de cohérence de la turbulence le long du bord de fuite, et à un autre facteur qui est maintenant le spectre de pression pariétale réduite, mais celui-ci ne dépendant plus que de la fréquence.

Cette longueur de cohérence étant relativement constante, on pourra agir en supprimant la cohérence du champ de pression pariétale au voisinage du bord de fuite.

Pour cela, on peut tout d'abord disposer, le long du bord de fuite, sur une ou des parties de ce bord, un matériau viscoélastique ou poreux qui absorbe une partie de la puissance de la turbulence de la couche limite. Bien entendu, ce matériau est implanté en affleurement, c'est-à-dire sans modifier l'évolution de la section du profil ni créer une surépaisseur.

Les dimensions traitées pourront être supérieures à l'épaisseur de la couche limite et/ou à la longueur d'onde du phé- nomène acoustique atténué.

Une autre manière d'agir, qui peut compléter la première, consiste à découper le bord de fuite de façon régulière ou irrégulière, ou à le prolonger de dentelures du côté de l'écoulement. La dimension des aspérités ainsi constituées dépend de l'application traitée, mais on a constaté qu'elle peut être de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde de la source de bruit acoustique, ou de l'ordre de l'épaisseur de la couche limite. Mais on a aussi constaté que des valeurs de cette dimension qui étaient très supérieures à ces deux longueurs, conviennent également dans certains cas.

Les dentelures ou aspérités mentionnées peuvent se trouver dans le prolongement de la surface définissant la paroi intérieure de la tuyère (ou autre organe aérodynamique) ou bien former un angle par rapport à cette surface.

Une autre manière d'agir, qui peut également compléter les précédentes, est illustrée sur la figure 3. La référence 30 désigne une vue partielle d'un profil aérodynamique, dont le bord de fuite apparaît en 31. La direction de l'écoulement est comme précédemment matérialisée par la flèche DE.

L'invention prévoit que l'on dispose des obstacles en forme de bande 32-1, 32-2, etc. La grande dimension D de ces obstacles 32 est parallèle à l'écoulement et perpendiculaire au bord de fuite. (L'épaisseur de ces obstacles est très faible.) Leur petite dimension est perpendiculaire à la surface du profil 30, et de l'ordre de grandeur de l'épaisseur de la couche limite. L'écartement e entre deux obstacles 32 consécutifs est inférieur à la longueur de cohérence transversale de la couche limite.

Sur la figure 3, les bandes s'arrêtent au niveau du bord de fuite. En variante, elles peuvent être prolongées au-delà du bord de fuite, de quelques épaisseurs de couches limites, par exemple.

Une autre variante consiste à fixer à la surface de l'organe de guidage 30, en amont du bord de fuite, des groupes d'éléments filiformes (non représentés) dont la longueur est là encore de l'ordre d'une dizaine de fois l'épaisseur de la couche limite, tandis que l'écart entre deux groupes voisins est inférieur à la longueur de cohérence transversale de la couche limite.

Le point de fixation peut se situer à quelques épaisseurs de couches limites par rapport au bord de fuite. Les éléments filiformes peuvent être des fils, des écheveaux de fils, ou encore des rubans.

Ces éléments filiformes peuvent être utilisés en remplacement ou en complément des obstacles décrits à propos de la figure 3.

En ce qui concerne les bords d'attaque des profils, des pales ou des aubes placés dans un écoulement turbulent, il est avantageux que ceux-ci soient constitués d'un matériau viscoélastique, souple, poreux, ou incluant de petites cavités sur toute leur envergure ou seulement sur une ou plusieurs parties de celle-ci.

L'ensemble des dispositions proposées permet une amélioration considérable de nombreux dispositifs aérodynamiques ou hydrodynamiques sur le plan du bruit, comme le comprendra l'homme de l'art.

I1 est maintenant fait référence à la figure 4, qui illustre une autre variante intéressante de l'invention.

Le Demandeur a observé que, dans le cas d'une couche limite turbulente, la pression pariétale possède le plus souvent un spectre à large bande, et de fluctuation aléatoire.

La couche limite peut être alors manipulée par un déplacement de la surface même de l'organe aérodynamique concerné. On va ainsi apporter, en divers points séparés d'une distance inférieure aux longueurs de cohérence, une perturbation locale par déplacement de la surface, afin de supprimer la cohérence du champ de pression pariétale.

Sur la figure 4, on voit en 40 le profil d'un organe aérodynamique, du côté d'un écoulement dont la direction est DE.

Dans un évidement de la paroi 40 est prévue une membrane 41 qui communique avec un espace 42. Par des variations de pression dans l'espace 42, on va pouvoir moduler la position de la membrane 41, et par là obtenir l'effet recherché.

Les variations de pression sont obtenues par exemple par le fait qu'il existe une conduite d'admission 43, pour l'enceinte 42, ainsi qu'une conduite de retour 44, dont la section est commandée par un modulateur de débit constitué par exemple d'un plongeur 45 et commandé par un électroaimant 46.

Bien entendu, de nombreuses variantes de ce dispositif de commande de déplacement de la membrane 41 sont envisageables. Par exemple, si le volume intérieur de l'espace 42 disponible pour la commande est faible (ce qui est le cas s'il s'agit d'équiper un bord de fuite), on peut recourir à une transmission par fluide incompressible.

C'est d'ailleurs ce que permet le mode de réalisation de la figure 4.

En effet, le volume actif du système derrière la paroi souple 41 peut être très faible, car l'ensemble amplificateur et électrovanne peuvent être placés à distance.

Le signal de commande du déplacement de paroi peut être donné a priori, ou bien résulter d'une information, prélevée par un capteur situé à proximité, et portant sur le spectre et l'amplitude de la pression pariétale.

Compte tenu de certaines parties du domaine d'application de l'invention, l'homme de l'art comprendra que l'on ne donne pas plus de détails sur la mise en oeuvre de celle-ci.

Claims (16)

Revendications.

1. Procédé pour réduire le bruit d'un écoulement subsonique, résultant de l'interaction d'une couche limite turbulente (11) avec un obstacle tel qu'une aube, en particulier de rotor, ou avec le bord de fuite d'un organe aérodynamique, tel qu'une tuyère, un profil ou bien un stator, caractérisé en ce qu'on réduit au moins partiellement la cohérence du champ de pression pariétale au voisinage du bord de fuite (llA).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on aspire la couche limite turbulente, au moins en partie, au voisinage dudit bord de fuite (llA).

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'aspiration s'effectue à travers un matériau poreux (17) précédant le bord de fuite.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bord de fuite est celui du convergent d'admission (10) de la veine libre d'une soufflerie anéchoique.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'obstacle qui interagit avec la couche limite du carénage d'admission d'un turboréacteur est l'ensemble des extrémités des pales (21) de sa soufflante.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les aubes (21) de la soufflante sont ceinturées par un cerclage (23), l'aspiration se faisant entre le carénage d'admission et ce cerclage.

7. Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'on aspire également, au moins en partie, l'une au moins des couches limites existant près des bords de fuite des supports, d'une part, et près des aubes de stator, d'autre part.

8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on équipe le bord de fuite d'éléments (32) propres à supprimer la cohérence du champ de pression pariétale.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on incorpore ou ajoute au bord de fuite, en affleurement, un matériau viscoélastique ou poreux, propre à absorber une partie au moins de la puissance de turbulence développée dans la couche limite.

10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'on prévoit, dans le bord de fuite ou en prolongement de celui-ci,des aspérités (32) propres à supprimer la cohérence du champ de pression pariétale au voisinage dudit bord de fuite.

11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'on prévoit des obstacles en forme de bandes dont la grande dimension est parallèle à l'écoulement et perpendiculaire au bord de fuite tandis que la petite dimension, perpendiculaire à la surface de l'organe de guidage, est de l'ordre de grandeur de l'épaisseur de la couche limite, l'écart entre deux obstacles voisins étant inférieur à la longueur de cohérence transversale de la couche limite.

12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'on fixe à la surface de l'organe de guidage, en amont du bord de fuite, des groupes d'éléments filiformes (32) dont la longueur est de l'ordre d'une dizaine de fois l'épaisseur de la couche limite, tandis que l'écart entre deux groupes voisins est inférieur à la longueur de cohérence transversale de la couche limite.

13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bords d'attaque des profils, pales ou aubes, placés dans l'écoulement turbulent, sont au moins en partie constitués d'un matériau viscoélastique, souple ou poreux.

14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on module localement (41) la forme de la paroi, en plusieurs points séparés d'une distance inférieure à la longueur de cohérence.

15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite modulation (41) est associée à une détection de spectre et/ou d'amplitude de la pression pariétale.

16. Dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé de l'une des revendications précédentes.