Etude numérique de l'interaction tourbillons-ondes acoustiques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2000

Numerical study of the vortex-sound interaction

Etude numérique de l'interaction tourbillons-ondes acoustiques

Résumé

The purpose of this work is to study the interaction between a flow and an incident sound wave in water. The incoming wave is scattered mainly by the flow vortices, so acoustic scattering can be used as a way of non-intrusive measurement for rotational flows. In the first part, we study the theory of the sound – vortex interaction, and we explain how we resolve the induced Neumann problem and compute the scattered acoustic pressure by using a Boundary Element Method (BEM). The link is made with works by Lund & Rojas who gave an analytical formulation linking scattered pressure to vorticity in the Fourier space. In connection with experimental studies, we show how it is possible to recover some fundamental characteristics of the flow by analysing the scattered pressure in the case of a Von Karman vortex street, thanks to an optical analogy with a diffraction grating. Further validation of our scattering calculation code is then obtained in the cases of a vortex street computed by using an analytical model, a discrete vortex method or a finite volume calculation. The acoustic characterisation method is then applied to the case of a single vortex. We show that the scattered wave pressure leads to some major vortex characteristics such as the core size, the vortex intensity or speed. Then, the pressure scattered by a wing tip vortex is investigated using a finite volume method for the flow simulation. Finally, we study an analytical model of a more complex rotational flow modelling the wake past a submarine. The relative effects of the vortex rings shed from the hull and a central three dimensional vortex shed from the propeller are studied.
Le travail a pour objet l'étude numérique de l'interaction entre un écoulement et une onde acoustique dans l'eau. Lorsqu'une onde traverse une zone de vorticité de l'écoulement, elle subit une diffusion. Il est alors possible en recueillant l'onde diffusée d'obtenir des renseignements intéressants sur les écoulement insonnés. Cette méthode a ainsi été utilisée expérimentalement comme un moyen de mesure non-intrusif d'écoulements tourbillonnaires ou turbulents. On développe dans un premier temps la théorie de l'interaction entre une onde et un écoulement. On se propose pour cela de résoudre le problème de Neumann associé par une méthode intégrale pour le calcul de la pression acoustique diffusée. On compare la méthode avec celle décrite dans les travaux de Lund et Rojas qui proposent une formule analytique liant linéairement la vorticité et la pression diffusée dans l'espace de Fourier, dans le cadre de l'approximation de Born en champ lointain. Par comparaison avec les études expérimentales, on explique comment on peut retrouver les caractéristiques essentielles de l'écoulement dans le cas de l'allée de Von Karman, à l'aide d'une analogie avec les réseaux de diffraction optiques. On valide ensuite ces hypothèses avec le code de calcul développé, dans le cas d'une allée obtenue à l'aide d'un modèle analytique, ou à l'aide de codes de calcul d'écoulement fondés sur une méthode particulaire ou de volumes finis. La méthode d'analyse est ensuite appliquée au cas du tourbillon seul. On montre qu'on peut remonter à la mesure des ses caractéristiques principales: taille, intensité et vitesse. On étudie ensuite le cas du tourbillon marginal derrière un profil d'aile tridimensionnel et on s'intéresse enfin à un modèle analytique d'écoulement modélisant le sillage à l'arrière d'un sous-marin.
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Dates et versions

tel-00004646 , version 1 (12-02-2004)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00004646 , version 1

Citer

Denis Tschümperlé. Etude numérique de l'interaction tourbillons-ondes acoustiques. Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Université du Havre, 2000. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00004646⟩
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