Simulation fidèle du bruit généré par un jet supersonique chaud avec déclenchement de la turbulence et propagation acoustique non-linéaire

International audienceA procedure to accurately simulate a free hot supersonic jet and its associated noise, which uses simultaneously a turbulence tripping method and a two-way coupling between a flow solver and a nonlinear acoustic solver, is proposed in this study. A Mach 3.1 overexpanded hot jet is computed via a large-eddy simulation by solving the filtered Navier-Stokes equations with a finite volume method on unstructured grids. The resulting noise is propagated in the far field by solving the full Euler equations with a high-order discontinuous Galerkin methodon unstructured grids. The full convergent-divergent nozzle is explicitly included in the computational domain thanks to the unstructured flow solver. Both a refined grid and a geometrical boundary layer tripping in the convergent are used to get highly disturbed turbulent conditions at the nozzle lips. The flow field appears to agree with the expected turbulence behavior and the available experimental data. The jet development shows significant improvement compared to similar past simulations. The far field acoustic levels are finely recovered at most of observation angles. An analysis of the acoustic near and far fields is then performed. The studied conditions lead to strong shock-associated noise and Mach wave emission. The spatio-frequency and azimuthal content of the acoustic field is described in order to identify the main noise properties. A particular noise component, different from screech tones and radiating upstream like Mach waves, is highlighted. Nonlinear propagation effects are finally quantified through specific metrics. They are found significant in both the near and the far fields which justifies the use of a nonlinear acoustic solver.Une procédure de simulation fidèle d'un jet libre supersonique chaud et du bruit associé, utilisant simultanément une méthode de déclenchement de la turbulence et un couplage fort entre un solveur Navier-Stokes pour l'écoulement et un solveur Euler pour l'acoustique non-linéaire, est proposée dans cette étude. Un jet chaud sur-détendu à Mach 3.1 est calculé au moyen d'une simulation aux grandes échelles par résolution des équations de Navier-Stokes filtrées avec une méthode de type volumes finis sur maillage non-structuré. Le bruit résultant est propagé en champ lointain par résolution des équations d'Euler complètes avec une méthode de Galerkin discontinue d'ordre élevé sur maillage non-structuré. La tuyère convergente-divergente est explicitement incluse dans le domaine de calcul et son maillage est facilité par l'approche non-structurée. Pour obtenir des conditions d'écoulement fortement perturbées au niveau des lèvres de la tuyère, on utilise à la fois un maillage raffiné et une méthode de déclenchement géométrique de la couche limite dans le convergent. Le champ aérodynamique obtenu correspond au comportement turbulent attendu et aux données expérimentales disponibles. Le développement du jet présente une amélioration significative par rapport aux simulations précédentes similaires. Les niveaux acoustiques en champ lointain sont retrouvés avec précision à la plupart des angles d'observation. Une analyse des champs acoustiques proche et lointain est ensuite effectuée. Les conditions étudiées conduisent à un fort bruit de choc et à l'émission d'ondes de Mach. Le contenu spatio-fréquentiel et azimutal du champ acoustique est décrit afin d'identifier les principales propriétés du bruit. Une composante de bruit particulière, distincte du screech et rayonnant en amont via un mécanisme similaire aux ondes de Mach, est mise en évidence. Les effets de propagation non-linéaires sont finalement quantifiés par des métriques spécifiques. Leurs variations significatives à la fois en champ proche et en champ lointain justifient l'utilisation d'un solveur acoustique non-linéaire