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Thèse Année : 2022

Mode-matching techniques for the modeling of rotor-stator wake-interaction tonal noise, with emphasis on the effects of vane camber

Techniques de raccordement modal pour la modélisation du bruit d’interaction de sillage rotor-stator, avec une attention particulière pour les effets de cambrure

Résumé

The present work is devoted to the modeling of noise generated by the impingement of fan wakes on outlet guide vanes in turbofan engines, which has been acknowledged as one of the most important contribution to aircraft noise. Modern fan stages display a high number of blades/vanes, resulting in strong cascade effect. For such configurations, the mode-matching technique chosen in this thesis shown promising capabilities to better understand and predict noise generation and propagation. This is why an extension of this technique to more realistic vane geometries is proposed, with the addition of camber in two dimensions. Accounting for camber has a twofold impact on sound propagation through the inter-vane channels: curvature of the center line, and expansion of the cross-section. The latter is introduced by means of a multiple-scale analysis, relying on slow variations along the channel, while the former is added by formulating the wave equation in curvilinear coordinates. The channel expansion plays a significant role on sound transmission and reflection phenomena at all frequencies. It also generates cut-on/cut-off transitions of channel modes, which can drastically change the acoustic behavior. A detailed study of this mechanism has been carried out. On the other hand, it has been observed that curvature only matters above the first cut-off frequency of the channels, for typical outlet guide vane geometries. Concerning the wakes evolution through the cascade of cambered vanes, only the expansion effect has been modeled. This allows one to recover the wakes slicing and tilting observed in numerical simulations. However, the missing curvature effects proved to be limiting to address noise prediction in realistic configurations. They should be added to ensure reliable results. Throughout this work, emphasis was also placed on acoustic resonances. Parametric studies have been performed on the influence of vane design parameters and incident perturbation on the prediction of resonant frequencies. The modulation of the resonance pattern by an incident acoustic wave in non-ideal conditions has been explained, as well as the crucial role of cut-on/cut-off transitions at certain frequencies. The influence of acoustic resonances triggered by wake impingement was also studied. It appeared that their occurrence can either reduce or amplify noise.
Ce travail est consacré à la modélisation du bruit d’impact des sillages de la soufflante sur les aubes de redresseur du flux secondaire d’un turboréacteur, qui est reconnu comme l’une des contributions majeures au bruit d’un avion civil moderne. Les étages de soufflante modernes présentent un nombre élevé de pales/aubes, ce qui entraîne un fort effet de grille. Pour de telles configurations, la technique de raccordement modal retenue pour cette thèse a montré des capacités prometteuses pour mieux comprendre et prédire la génération et propagation du bruit. C’est pourquoi une extension de cette technique à des géométries d’aube plus réalistes est proposée, avec l’ajout de la cambrure en deux dimensions. La prise en compte de la cambrure a un double impact sur la propagation du son dans les canaux inter-aubes : la courbure de la ligne centrale et l’évasement de la section transverse. L’effet d’évasement est introduit au moyen d’une analyse multi-échelle, en supposant des variations lentes du canal, tandis que les effets de courbure sont ajoutés en formulant l’équation d’onde en coordonnées curvilignes. L’évasement du canal joue un rôle significatif sur la transmission et la réflexion du son à toutes les fréquences. Il génère également des transitions de mode coupé/passant dans les canaux, ce qui peut changer radicalement le comportement acoustique de la grille. D’autre part, il a été observé que la courbure n’a d’importance qu’au-dessus de la première fréquence de coupure des canaux, pour des géométries d’aube classiques. Concernant l’évolution des sillages à travers la grille d’aubes cambrées, seul l’effet d’évasement a été modélisé. Cela a permis de prendre en compte le découpage et l’inclinaison des sillages observés dans les simulations numériques. Cependant, les effets de courbure semblent nécessaires pour prédire correctement le contenu modal généré dans des configurations réalistes. Ils devront être ajoutés pour garantir la fiabilité des résultats. Au cours de ce travail, l’accent a aussi été mis sur les résonances acoustiques. Des études paramétriques ont été réalisées sur l’influence des paramètres géométriques des aubes et de la perturbation incidente. La modulation du motif de résonance par une onde acoustique incidente dans des conditions de résonance non idéales a été expliquée, ainsi que le rôle crucial des transitions. L’influence des résonances acoustiques déclenchées par l’impact des sillages a également été étudiée. Il apparaît que la résonance de la grille peut soit réduire, soit amplifier le bruit généré, en fonction de son motif.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03709304 , version 2 (29-06-2022)
tel-03709304 , version 1 (27-06-2023)

Licence

Paternité

Identifiants

  • HAL Id : tel-03709304 , version 1

Citer

Leo Girier. Mode-matching techniques for the modeling of rotor-stator wake-interaction tonal noise, with emphasis on the effects of vane camber. Acoustics [physics.class-ph]. Université de Lyon, 2022. English. ⟨NNT : 2022LYSEC003⟩. ⟨tel-03709304v1⟩
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