CHAPITRE V : APPLICATIONS DES JSP AU CONTROLE D'ECOULEMENT
3. Application au contrôle de bruit de jet
Le bruit de jet est le bruit dû aux écoulements de gaz sortant des moteurs. Il constitue la source de bruit prépondérante d'un avion au décollage. Les techniques de réduction de bruit sont pour l'instant de nature passive (chevron), et s'accompagnent d'effet pénalisant sur les performances en vol de croisière. L'utilisation de micro jets peut permettre de modifier l'écoulement et donc éventuellement de réduire le bruit généré par les turbines. Les turbines d'avion étant en forme de tuyère, il est possible de modéliser la sortie du moteur d'avion par une tuyère par laquelle sort un jet d'air continu à grande vitesse, typiquement proche de la vitesse du son.
L'ONERA a installé une chambre anéchoïde dans ses locaux autour d'une tuyère de 50 mm de diamètre dans laquelle s'écoule un fluide à des vitesses pouvant atteindre MACH 0.9. Mach 0.9 correspond à 0.9 fois la vitesse du son soit 340 m/s à la température ambiante. La tuyère envoie le jet dans un tuyau d'échappement en vis-à-vis après avoir traversé la chambre anéchoïde. Les actionneurs sont situés circulairement et régulièrement espacés autour de la tuyère comme on peut le voir sur la Figure V-9.
Figure V-9 : Sortie de la tuyère (chaque encoche correspond à un JSP); Implantation des JSP autour de la tuyère; tuyère en vis-à-vis du tuyau d'échappement
Dans la tuyère est insérée juste la cavité en céramique, les encoches servent de capuchon; des orifices sont placés en hauteur de la tuyère afin de faire sortir l'air à 45 ° de l'écoulement principal. Il y a en tout 12 encoches permettant d'insérer 12 JSP.
Différents modes de fonctionnement des JSP ont été testés : • Tous les JSP fonctionnent en même temps;
• Les JSP sont allumés l'un après l'autre dans le sens des aiguilles d'une montre. Le déphasage entre deux déclenchements est réglé de manière à ce que le tour soit effectué durant une période de fonctionnement;
• Les JSP de 1 à 6 sont allumés en même temps et ceux de 7 à 12 sont allumés à l'instant correspondant à la demi-période de fonctionnement;
• Les JSP pairs sont allumés en même temps et les impairs sont allumés à l'instant correspondant à la demi-période de fonctionnement;
Le nombre de modes de fonctionnement peut être bien plus important et dépend (presque uniquement) de l'imagination de l'expérimentateur.
Avant de faire la mesure de brui mélange ont été effectuées, afin présentons un de ces essais sur la Sur l'image de gauche on observ 400 µs après la décharge, on vo perturbation induite impacte l'éc l'écoulement. On ne sait pas po contrôle de bruit, mais il apparai Dans cet exemple, le JSP est alim d'environ 220 m/s. Nous avons condensateurs de 1nF, mais ces e
Figure V-10 : Interaction d'un JSP so
La mesure de bruit se fait par l' sortant de la tuyère comme on p diamètre du centre de la tuyère s 150 ° de la position du jet. Chaqu
it de jet, des images par strioscopie d'un jet injec n de vérifier que le jet modifie bien la couch a figure suivante.
ve clairement le jet sortant de l'actionneur. Ensui oit le jet modifier la couche de mélange de ma coulement sur environ 10 mm de hauteur et su our le moment si cette modification est positive
it clairement qu'un seul JSP produit une modifica menté par une capacité de 20 nF et la vitesse max même observé des modifications de la couche d effets sont moindres.
oufflant à 250 m/s avec le jet sortant de la tuyère à MACH décharge et t=400µs après la décharge
'intermédiaire d'un jeu de micros situés sur la b peut le voir sur la Figure V-11. La barre est pos soit 50 cm. 8 micros sont positionnés à 90, 100, ue micro enregistre le bruit produit par le jet.
Figure V-11 : Position des micros
cté dans la couche de he de mélange. Nous
ite sur l'image prise à anière assez nette. La ur 15 mm le long de e ou négative pour le ation de l'écoulement. ximale du jet est donc de mélange avec des
H 0.9à : t=100µs après la
arre au dessus du jet sitionnée à 10 fois le 10, 120, 130, 140 et
Nous allons maintenant présenter quelques résultats obtenus. Les résultats présentés ici sont effectués à différentes fréquences avec des condensateurs de 12 nF.
10 100 1000 10000 40 50 60 70 80 90 100 10 100 1000 10000 40 50 60 70 80 90 100 f=1250 Hz
N
iv
eau so
nore (dB)
f (hZ) f=62 Hz sans JSP f=62 Hz f (hZ) f=1250 Hz sans JSPFigure V-12 : Influence des JSP sur le niveau de bruit pour le micro à 150°; à gauche la fréquence des JSP est de 62 Hz; à droite de 1250 Hz
On observe clairement une modification du niveau sonore avec le JSP en particulier à leur fréquence de fonctionnement ainsi qu'à leurs harmoniques respectifs. A basse fréquence de fonctionnement des JSP, on ne remarque pas une sensible augmentation du bruit aux autres fréquences. Par contre à plus haute fréquence de fonctionnement (f=1250 Hz), l'augmentation du bruit est importante sur toute la plage de mesures (niveau fréquentiel audible). Cette augmentation de bruit provient certainement d'oscillations "mécanique" sur le jet sortant de la tuyère. Elle traduit donc une modification de la couche de mélange, qui d'un point de vue acoustique est néfaste.
On peut d'ailleurs quantifier cette augmentation en calculant l'OASPL (Over All Sound Pressure Level). Ce paramètre résulte du calcul de l'intégrale du bruit sur toute la plage de fréquence de fonctionnement, divisée par la largeur plage de fréquence. Cela revient à calculer la moyenne du bruit sur toute la plage fréquentielle de mesure. En faisant la soustraction de l'OASPL correspondant à la courbe où les actionneurs sont en marche de celui où les JSP ne sont pas en marche, on obtient donc l'augmentation moyenne du bruit générée par les actionneurs. On présente un exemple d'augmentation de bruit sur la Figure V-13 en fonction de la fréquence de fonctionnement. Ce cas correspond à un jet de MACH 0.6, les JSP utilisés dans cette expérience sont alimentés par un condensateur de 6 nF. L'énergie dissipée dans l'actionneur étant relativement faible, nous avons pu augmenter la fréquence de fonctionnement jusqu'à 3.1 kHz. Les JSP peuvent donc fonctionner à ces fréquences, le temps de remplissage des JSP est donc dans ce cas de :
1
_
322 250
72
remplt
durée
jet
µs
f
= −
=
−
=
Équation V-2Le temps de remplissage peut donc être relativement court lorsque l'énergie dissipée est relativement faible. 500 1000 1500 2000 2500 3000 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Au
gmen
ta
ti
on
du
bru
it (dB
)
f (Hz)
Figure V-13 : Augmentation du bruit pour C=6 nF; le jet est à MACH 0.6 pour le micro à 150° par rapport à l'écoulement
En ce qui concerne le bruit, on remarque qu'il augmente jusqu'à 1200 Hz, et tend à diminuer par la suite. On peut donc penser qu'en augmentant encore la fréquence de fonctionnement on pourrait diminuer le bruit plutôt que de l'augmenter. Il semble impossible d'augmenter la fréquence de fonctionnement sensiblement puisque la fréquence maximale est de 4 kHz (inverse de la durée d'expulsion du jet).
En aérodynamique, les spécialistes ne parlent pas en fréquence de fonctionnement mais en nombre de Strouhal. Ce nombre est adimensionnel (comme souvent en aérodynamique) et se définit de la manière suivante :
.
t tuyèref D
S
U
=
Équation V-3Avec f la fréquence des jets, D le diamètre de la tuyère et Utuyère la vitesse du jet sortant de la tuyère.
La courbe de la Figure V-13 pourrait être présentée en fonction du Strouhal plutôt que de la fréquence de fonctionnement. Le Strouhal est en quelque sorte une fréquence adimensionnelle qui ne tient donc pas compte des dimensions du système. Pour diminuer l'augmentation du bruit voire espérer le réduire, il faudrait donc plutôt augmenter le diamètre du jet ou diminuer la vitesse en sortie de la tuyère.
Les essais de contrôle de bruit ne sont pas très convaincants du point de vue de la diminution du bruit de jet, puisque nous observons une augmentation assez nette du niveau sonore lorsque les actionneurs sont en fonctionnement. Cependant cette augmentation étant générée sur toute la plage des fréquences audibles, elle traduit une nette modification de l'écoulement et plus précisément de la couche de
mélange. Les JSP permettent donc de modifier l'écoulement d'un jet sortant d'une tuyère et pas seulement s'écoulant sur une plaque plane. L'augmentation de bruit étant relativement importante, on peut penser que la couche de mélange est fortement modifiée.
De plus il serait possible en utilisant un diamètre de tuyère plus élevée de pouvoir probablement diminuer le bruit de jet. Cette conclusion nécessite des tests supplémentaires pour être justifiée.
4.
Conclusion
Nous avons mis en évidence en début de ce chapitre les limites de fonctionnement des JSP présentées dans cette étude et couplés à notre alimentation. Notre alimentation limite la puissance et l'énergie délivrée à ces actionneurs. Par contre le JSP utilisé à une limite propre fréquentielle à 4 kHz imposée par le temps d'expulsion du gaz de sa cavité. Les tests effectués dans ce chapitre ont permis de mettre en évidence le fonctionnement des actionneurs à 3.1 kHz, ainsi le temps de remplissage de la cavité serait extrêmement rapide, puisqu'il ne serait que de 70 µs. Cette fréquence limite de fonctionnement dépend très certainement du volume de la cavité du JSP ainsi que du diamètre de l'orifice permettant d'évacuer et de remplir l'actionneur. Il est certainement possible d'augmenter ces performances en dimensionnant l'actionneur de manière plus optimale, ce travail fera l'objet d'études ultérieures.
Toutefois malgré ces limites, les JSP étudiés ici sont capables d'agir sur les écoulements; nous avons en effet clairement observé dans les essais de contrôle d'écoulement qu'ils sont capables de diminuer fortement la zone de recirculation et donc d'augmenter la portance d'une aile. Par contre ils ne sont pas capables de diminuer le bruit d'une turbine probablement car ils fonctionnent à des fréquences trop faibles. Ils agissent cependant sur l'écoulement, puisque le bruit est augmenté sur toute la plage fréquentielle et pas uniquement à leurs fréquences de fonctionnement.