Analyse des sources du bruit de jeu dans les ventilateurs axiaux

L’écoulement de jeu est un phénomène hautement complexe et inévitable dant les turbomachines étant donné la nécessité de prévenir l’interférence des éléments statiques avec le rotor. Il mène cependant à des pertes potentiellement importantes au niveau de la performance aérodynamique ainsi qu’à une augmentation de la signature acoustique de ces machines. Les mécanismes associés à ce type d’écoulement secondaire ont été largement étudiés dans les dernières décennies, mais étant donné les phénomènes complexes en présence, l’espace limité ainsi que l’interaction de pièces en mouvement rapide, une investigation expérimentale in-situ de l’écoulement de jeu est souvent ardue et requiert l’emploi de techniques avancées. En conséquence, la caractérisation de ce mécanisme est encore incomplète et demeure un sujet d’actualité dans le monde de la recherche ; des analyses conjointes des aspects aérodynamique et aéroacoustique sont particulièrement rares. La présente thèse propose de tirer parti du potentiel des méthodes de simulation numérique d’écoulements fluide pour réaliser une étude aéroacoustique de l’écoulement de jeu dans les ventilateurs axiaux basse-vitesse. La méthode Lattice-Boltzmann a été choisie pour réaliser l’étude à cause de la capacité qu’elle a de réaliser simultanément une étude aérodynamique et aéroacoustique en propagation directe sur une série de ventilateurs basse-vitesse avec et sans virole tournante. Ceux-ci furent choisis en grande partie à cause de l’existence d’une banque de données expérimentale permettant de valider les résultats de simulation et dans l’optique de fournir une vue large sur les différents aspects géométriques et opérationnels pouvant avoir une influence sur la formation de l’écoulement de jeu. Les résultats numériques ont été employés pour réaliser une analyse détaillée du champ associé à l’écoulement de jeu et permettre l’identification des sources de bruits rattachées à l’aide de techniques de visualisations basées sur l’emploi d’isosurfaces de critère λ2 et l’emploi combiné de l’analogie acoustique de Ffowcs Williams et Hawkings et de visualisations de fluctuations de pression filtrés à la surface des rotors. La différence fondamentale dans le mécanisme de formation de l’écoulement de jeu entre les machines axiales avec et sans virole a été mis en évidence, mais l’apparition de composantes tonales dans le spectre acoustique associées à l’interaction des structures cohérentes provenant du jeu avec les pales des rotors a été observée dans tous les cas. Dans le but de fournir une évaluation quantitative du champ de distorsion responsable de l’apparition de ce bruit tonal, une technique de corrélation spectrale précédemment employée pour la caractérisation d’instabilités dans les machines centrifuges a été adaptée à l’étude du champ inhomogène induit par l’écoulement de jeu dans la région de bout de pale et permettre l’évaluation de son effet sur la signature acoustique des machines axiales étudiées.Abstract: Tip leakage flow is a highly complex phenomena that is unavoidable in turbomachinery applications due to the fact that a tip clearance is required to prevent the interference of the static elements of a turbomachine system with the moving rotor. It can lead to potentially large performance losses by modifying the aerodynamic conditions surrounding the blade as well as increases in the sound radiation of the fan. Tip leakage flow mechanics have been extensively studied in the last few decades, but given the complex flowfields encountered in turbomachine applications and the small geometric space coupled the moving parts of typical rotor geometries, in-situ experimental investigation of tip leakage flow is arduous at best, requiring advanced experimental setups, and at worst nigh impossible in normal turbomachine operation. As a result, the characterization of this highly complex phenomena is still incomplete and remains a very active research field. Furthermore, joint aerodynamic and aeroacoustic investigations are rare for that particular phenomena. The current study was designed to leverage the potential of CFD methods for the evaluation of tip leakage flow mechanics and its impact on the acoustic radiation of low-speed axial fans, which arguably represent the most common and simple archetype of fans. A relatively recent class of CFD method called the Lattice-Boltzmann Method (LBM) was used to jointly evaluate the aerodynamic and aeroacoustic performance of selected fan systems, both free-tipped and ring-shrouded configurations, with an available experimental database to which the simulation data was compared. The fans were selected on to allow for an extensive foray into the mechanics of tip leakage flow for a wide variety of configurations and operating conditions. The CFD results were leveraged to perform a detailed investigation of the tip clearance flowfield for each case and identify the noises sources associated with tip clearance flow using flow visualizations based on the λ2 criteria for the identification of vortical structures and the combined use of the Ffowcs Williams and Hawkings’ acoustic analogy with filtered wall-pressure fluctuation maps of the blade surfaces. The stark contrast in the tip flow mechanics associated with free-tipped and ring-shrouded fans was made evident from this analysis, but tonal components in the acoustic spectra of each of the configurations related to tip clearance mechanisms were also identified as a result of the interaction of the coherent turbulent structures generated by the rotor blades. In order to characterize the flow distortions reponsible for the identified narrowband noise, a spectral correlation technique previously used for the experimental characterization of flow instabilities in centrifugal fans that was adapted to quantify the distortions in the flow induced by the tip leakage flow and their impact of the acoustic radiation of the fan. The analysis is carried out on each of the fan configurations studied and the structure of the distortion fields responsible for the tonal noise radiated as a result of the interaction of the tip leakage flow with the rotor blades is investigated