La présence de bras structuraux de part et d’autre d’un turboréacteur modifie le conduit secondaire en deux conduits en forme de C. En général, ces bifurcations internes sont situées légèrement en aval de l’OGV comme illustré sur la figureI.166. Le fluide traversant le redresseur
s’écoule donc d’abord dans un conduit annulaire puis est séparé par les bifurcations. Ainsi, toutes les problématiques relevant de la propagation acoustique à travers le conduit d’éjection
6. Dans notre cas, les bras sont reculés dans la grille OGV.
Bifurcations Conduit secondaire Entrée d'air Rayonnement aval Rayonnement amont RotorOGV
(a) Coupe transversale du moteur
θ
Conduit annulaire
Conduit avec bifurcations
(b) Section transversale
dans le conduit secondaire
secondaire de turboréacteurs sont confrontées à la question de l’impact de la présence des bifurcations sur l’écoulement. Cet aspect a donc donné lieu à un certain nombre d’investigations. Bauers et al. [106] ont notamment réalisé une étude expérimentale à partir d’une maquette considérant un conduit parfaitement annulaire dans lequel un haut-parleur injecte un mode acoustique pur. Un conduit présentant des bifurcations d’épaisseur variables est situé en ex- tension du conduit axisymétrique et des anneaux de détection modale placés en amont et au sein du conduit en C, mesurent l’amplitude du mode radial qui se propage dans le milieu sans écoulement. Ce protocole expérimental a permis de valider leur description originale du champ de pression acoustique en prenant en compte différentes épaisseurs de bifurcations. Leur for- mulation associe une valeur non entière au mode acoustique se propageant dans le conduit en C pour traduire le phénomène de diffraction acoustique de ce mode sur des modes d’ordre plus élevés.
Dans la même idée, Druon [107] propose de simplifier le problème en modélisant les bifurca- tions du conduit en C par des plaques planes comme illustré sur la figureI.17. Cette hypothèse lui permet d’aboutir à une expression analytique de l’amplitude du champ de pression per- turbé associé à un mode donné, valide tant que la longueur d’onde acoustique est suffisamment grande devant l’épaisseur des bifurcations, c’est-à-dire pour de faibles fréquences. Redonnet et Druon [108] ont pu ainsi étudier de manière qualitative les effets de diffraction de modes acoustiques purs dans les conduits d’éjection primaire et secondaire. Pour ce faire, les modes fournis par l’expression proposée par Druon sont injectés en entrée d’un calcul Euler (réalisé avec le code sAbrinA.v0 ), en présence d’un écoulement porteur issu d’une simulation RANS tridimensionnelle de l’éjection. Une configuration analogue a également été simulée numéri- quement par Schönwald et al. [109] qui se sont intéressés aux effets de diffraction à travers différentes épaisseurs de splitter et en particulier à travers une plaque plane.
Figure I.17– Conduit annulaire intégrant deux plaques planes (d’après Redonnet et Druon
[108])
De manière analogue à Redonnet et Druon, Chen et al. [110] ont suggéré une approche nu- mérique pour caractériser les effets des bifurcations sur le rayonnement de modes acoustiques en
champs proche et lointain à travers un conduit d’éjection. Dans ce but, des modes acoustiques sont injectés dans la zone tampon du domaine de calcul LEE tridimensionnel, permettant ainsi d’accéder au champ proche acoustique dans le conduit d’éjection. L’écoulement stationnaire est fourni par un calcul RANS et la propagation en champ lointain est assurée par l’analogie de FWH à partir des perturbations en champ proche. Chen et al. considèrent deux configurations : un conduit arrangé de quatre bifurcations également espacées dans la direction azimutale et un conduit parfaitement axisymétrique comme cas de référence. Cette approche, applicable à n’importe quelle combinaison de bifurcations et de modes, a montré qu’une bifurcation induit la diffraction des modes acoustiques et modifie la directivité du rayonnement. Une approche similaire est entreprise par Nark et al. [111] à partir du code CDUCT-LaRC de la NASA dans lequel est intégrée la résolution des champs proche et lointain, avec génération d’un maillage automatique permettant de considérer une géométrie complexe, impliquant la prise en compte de bifurcations et de traitements acoustiques. Nark et al. aboutissent à des conclusions sem- blables à celle de Chen et al. [110] pour une configuration de conduit présentant une ou deux bifurcations. De même, une méthode aux éléments finis a été mise en œuvre par McAleer [112] à partir du code de calcul commercial ACTRAN/TM. En plus des observations précédentes, McAleer a mis en évidence que les réflexions successives des modes sur les deux bifurcations diamétralement opposées engendrent un phénomène d’onde stationnaire dans le conduit d’éjec- tion, lequel se répercute en champ lointain. Nous pouvons finalement citer l’étude d’Holewa et al. [113] qui évalue l’influence de l’effet potentiel des bras sur les mécanismes de génération de sources périodiques en régime transsonique à partir d’un calcul quasi-tridimensionnel de la manche secondaire.
L’ensemble de ces études considère des bras structuraux situés légèrement en aval de l’OGV, comme illustré sur la figure I.16(a). C’est pourquoi les efforts portent exclusivement sur la propagation acoustique dans un conduit traversé par des bifurcations en réponse à une injection de modes, et donc plus précisément sur les effets de diffraction. Dans le cas de la soufflante de nouvelle génération de Snecma, les bras sont reculés dans la grille OGV. Ainsi, à l’instar des aubes “classiques” du stator, les bifurcations sont sous l’influence du sillage du rotor. Il devient alors nécessaire de caractériser la génération de sources sur l’ensemble du redresseur, incluant les bifurcations, ainsi que la propagation de ces sources à travers le conduit en C. Concernant ce dernier point, nous retenons en particulier l’hypothèse de plaques planes employée par Redonnet et Druon [108] de façon à simplifier la modélisation des bifurcations dans l’approche intégrale. De plus, la formulation du champ acoustique proposée par Bauers et al. [106], doit permettre également de proposer une formulation adéquate dans le cas particulier de plaques planes.
5.3 Caractérisation d’écoulements turbulents en aval d’un rotor mo-
derne
Le rotor de la soufflante moderne de Snecma est constitué d’aubes en composite, fortement vrillées, aux profils à large corde et aux bords de fuite épais. Le choix de l’approche numérique doit donc permettre de caractériser les effets de cette géométrie fortement tridimensionnelle sur le sillage turbulent, tout en offrant un coût numérique accessible. Comme évoqué enI.4.2.1, les méthodes hybrides RANS/LES semblent présenter le meilleur compromis.
À cet effet, nous pouvons citer le calcul 2,5D IDDES de Greschner et Thiele [114] réalisé sur une tranche radiale d’un canal rotor-stator. La IDDES, pour Improved Delayed Detached-
Eddy Simulation propose des améliorations à la DDES pour la simulation des sillages et des
couches limites. Greschner et Thiele se sont restreints à l’analyse aérodynamique de ce calcul afin d’évaluer la faisabilité d’une telle approche pour des applications aéroacoutiques.
Cependant, comme discuté en I.2.3.2, une approche ZDES semble être la méthode hybride à privilégier. C’est l’approche choisie par Riéra [5] pour mieux comprendre les effets fortement instationnaires impliqués dans l’écoulement de jeu d’une configuration réaliste de compresseur axial, et tout particulièrement le comportement de l’écoulement en régime proche du pompage et les effets des sillages issus du redresseur sur le rotor aval. La visualisation instantanée des iso-surfaces du critère Q sur un écoulement de jeu d’une aube de compresseur, illustrée sur la figure I.18, met en évidence l’apport d’une méthode ZDES par rapport à un calcul URANS réalisé sur le même maillage. En effet, il est clairement visible que la ZDES permet de carac- tériser plus précisément l’intensité et la position des phénomènes instationnaires rencontrés en
(a) Simulation URANS (b) ZDES
Figure I.18– Visualisation instantanée des iso-surfaces du critère Q sur un écoulement de
bout de pales, spécialement sur le tourbillon de jeu. De plus, la comparaison avec les données expérimentales a permis à Riéra d’établir que les transferts d’énergie des grandes aux petites structures jusqu’à leur dissipation étaient correctement simulés par la ZDES.
L’approche ZDES n’a encore jamais été mise en œuvre pour des finalités aéroacoustiques sur des turbomachines. En revanche, elle a permis d’obtenir des prévisions acoustiques satisfai- santes dans le cadre du projet LAGOON dédié au bruit de train d’atterrissage [115]. De plus, les résultats de la simulation aérodynamique d’écoulements complexes fortement instationnaires, comme le tourbillon de jeu en bout de pales, sont très encourageants pour les applications aéroacoustiques en turbomachines. Par conséquent, le choix d’une ZDES pour caractériser pré- cisément les sillages turbulents issus du rotor semble très prometteur.