Approches analytiques et numériques pour la prédiction du bruit tonal et large bande de soufflantes de turboréacteurs

Résumé: Dans un turboréacteur civil à haut taux de dilution, l'étage de soufflante contribue significativement au rayonnement acoustique d'un avion en phase d'approche. La problématique de ce projet de recherche s'inscrit dans le cadre de l'amélioration des méthodes de prédiction du bruit tonal et large bande créé par l'interaction rotor-stator d'un étage de soufflante, afin de fournir des outils pour une conception silencieuse des avions. Une étude bibliographique conduit à choisir deux approches pour la prédiction du bruit de soufflante. D'une part, les modèles analytiques prenant en compte l'effet de grille sont adaptés à des études paramétriques dans un contexte industriel, mais font appel à plusieurs hypothèses simplificatrices. D'autre part, les méthodes numériques permettent de considérer des configurations réalistes au prix d'efforts de calculs importants. Les objectifs originaux consistent donc à évaluer des modèles avec effets de grille, à proposer des améliorations afin de les rendre plus fiables et à développer une nouvelle méthode numérique pour le bruit de turbomachine. Celle-ci repose sur des simulations aérodynamiques compressibles instationnaires dans lesquelles les sources acoustiques sont directement calculées puis rayonnées à l'aide d'une analogie acoustique. Dans le cadre du bruit tonal, des simulations instationnaires d'écoulement par la méthode des équations de Navier-Stokes moyennées (UftANS) sont réalisées sur des configurations simplifiées d'étages rotor-stator et sur un compresseur axial réaliste. Les sources acous-tiques déterministes créées par l'interaction des sillages moyens du rotor avec les aubes du stator sont correctement résolues, permettant l'application de la méthode numérique. Un modèle de grille est amélioré afin de prendre en compte une décomposition plus fine de l'excitation ainsi que les effets de cambrure de l'aube dans la prédiction des sources. Ces améliorations sont validées par comparaisons avec les résultats de la méthode numérique. Cette dernière s'avère très efficace pour la prédiction du bruit tonal lorsque les sources sont réparties sur la cambrure réelle des aubes puisque les effets pleinement 3D de la réponse du stator et de la géométrie des aubes sont inclus. Concernant le bruit à large bande, trois modèles avec effets de grilles sont évalués sur deux cas tests réalistes. L'effet de grille est significatif pour des stators avec recouvrement, à la fois sur les sources et sur la puissance rayonnée sur toute la bande de fréquences. De plus, un modèle avec une réponse de grille tridimensionnelle et une analogie acoustique en conduit fournit les meilleurs résultats relativement aux mesures. Par ailleurs, une simulation aux grandes échelles (LES) est effectuée sur le compresseur axial. L'interaction des sillages turbulents du rotor avec les aubes est correctement résolue et crée les sources acoustiques à large bande. La LES permet une meilleure compréhension des phénomènes physiques en vue d'une amélioration des modèles analytiques. Enfin, l'application de la méthode numérique fournit les spectres de puissances acoustiques et s'avère prometteuse.||Abstract: In a modern high bypass ratio turbofan engine, the fan stage significantly contributes to the acoustic energy radiated by an aircraft at approach conditions. This research project takes place in the framework of improving prediction methods for tonal and broadband noise created by the rotor-stator interaction in a fan stage in order to provide tools for quieter designs of aircrafts. A literature review leads to the choice of two approaches for the fan noise prediction. On the one hand, analytical models taking into account cascade effects are designed for parametrical studies in an industrial context although they use several simplifying hypotheses. On the other hand, numerical methods allow considering realistic configurations but are computationally demanding. Thus the original objectives of this work consist in evaluating cascade based acoustic models, in proposing modifications to improve their reliability, and in developing a new numerical method for turbomachinery noise. The latter is based on unsteady compressible aerodynamic simulations to directly compute acoustic sources that are then radiated with an acoustic analogy. For tonal noise studies, unsteady flow simulations using Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (URANS) are performed on simplified rotor-stator configurations as well as on a realistic axial compressor stage. The deterministic acoustic sources created by the rotor wake interaction with the downstream stator vanes are correctly resolved, allowing the application of the numerical method. A cascade analytical model is improved in order to introduce a better decomposition of the excitation as well as vane camber effects in the acoustic sources prediction. These improvements are validated by comparisons with the results of the numerical method. The vane thickness is also seen to have a second order effect. Finally the developed numerical method is shown to be very efficient for tonal noise prediction with a distribution of sources following the mean vane camber line since the fully 3D effects of the stator response and of the vane geometry are included. In the broadband noise context, three cascade based analytical models are evaluated and compared to an isolated airfoil model on two realistic test cases. Cascade effects are found to play a major role both on the acoustic sources and on the acoustic power over the frquency band for overlapping vanes. A model including a tri-dimensional cascade response as well as an acoustic analogy within an annular duct provides the best results compared to measurements. Moreover a Large-Eddy Simulation (LES) is performed on the axial compressor. The turbulent rotor wakes interaction with the downstream stator vanes is correctly resolved and creates broadband acoustic sources. The LES allows a better understanding of physical phenomena in order to improve analytical models. Finally the application of the numerical method provides the acoustic power spectra radiated within the duct and appears to be promising