I.3 Etudes exp´erimentales
I.3.3 G´eom´etries simplifi´ees
a ´echelle r´eduite li´ee aux effets du nombre de Reynolds. Enfin, si certains auteurs affirment retrouver la loi en puissance 6 du nombre de Mach, d’autres revendiquent une loi en puissance 7 du nombre de Mach pour les plus hautes fr´equences.
I.3.2 Dispositifs de r´eduction de bruit
Comme montr´e dans les paragraphes pr´ec´edents, le bruit de train d’atterrissage a rapidement ´et´e compris comme r´esultant `a la fois des efforts a´erodynamiques instationnaires, en particulier la traˆın´ee, mais ´egalement en grande partie par l’interaction entre les sillages turbulents issus des ´el´ements g´eom´etriques qui le constituent, jusqu’aux plus petites ´echelles. Ce constat a motiv´e l’id´ee de mettre en place des strat´egies de r´eduction de bruit (nomm´ees fairings en anglais) en tentant de profiler le train d’atterrissage. Ces dispositifs passifs de r´eduction de bruit ont donc par exemple consist´e `a d´evier l’´ecoulement, voire `a car´ener les parties les moins profil´ees. Les premiers dispositifs passifs de r´eduction de bruit ont ´et´e test´es dans le cadre du projet de recherche europ´een Reduction of Airframe and Installation Noise (RAIN) par Dobrzynski et al. [45,46]. En car´enant une partie d’un train d’atterrissage d’Airbus A340 et en bouchant les cavit´es, ils ont d´emontr´e le potentiel des fairings en obtenant une r´eduction de 3 dB du bruit rayonn´e par le train d’atterrissage. Une technologie similaire et nomm´ee ”toboggan” a ´et´e par la suite d´ev´elopp´ee `a la NASA et test´ee notamment par Abeysinghe et al. [1], Quayle et al. [157] ou encore Remillieux et al. [164]. Ces concepts ont toutefois montr´e une possible augmentation du bruit dans certains cas, lorsque l’´ecoulement d´evi´e et acc´el´er´e par un car´enage impacte un autre composant non car´en´e. Par ailleurs, des probl`emes li´es au refroidissement du syst`eme de freinage peuvent rendre ces concepts difficiles `a certifier. Afin de pallier ces difficult´es, des car´enages perfor´es et poreux ont ´et´e d´evelopp´es dans le cadre des projets europ´eens Significantly Lower Community Exposure to Aircraft Noise (SILENCER) et Technology to IMProve Airframe Noise(TIMPAN) et ont montr´e de bonnes performances acoustiques tout en r´eduisant les aspects n´egatifs des car´enages solides. Ces solutions ont ´et´e test´ees exp´erimentalement par Smith et al. [183] ou encore Boormsa et al. [13], alors que dans le mˆeme temps ont ´et´e test´ees des membranes ´elastiques par Ravetta et al. [159]. Ces concepts ont montr´e un potentiel important de r´eduction de bruit mais il est ´egalement possible que les perforations produisent un bruit propre `a haute fr´equence comme l’ont montr´e Oerlemans et al. [142]. Ce bruit parasite n’est toutefois suppos´e pas ˆetre gˆenant pour une application industrielle car situ´e dans une trop haute gamme de fr´equence, rapidement dissip´ee par l’att´enuation atmosph´erique.
I.3.3 G´eom´etries simplifi´ees
L’´etude du bruit de train d’atterrissage a, comme on l’a vu, initialement principalement repos´e sur des mesures en vol et en soufflerie de g´eom´etries de trains d’atterrissage r´ealistes provenant d’avions commerciaux des constructeurs Airbus et Boeing. Ceci a permis de calibrer les mod`eles statistiques et d’´evaluer l’efficacit´e de certains dispositifs de r´eduction de bruit. Ces ´etudes ne permettent toutefois pas d’´etudier le bruit de train d’atterrissage dans un cadre plus g´en´eral du fait de l’inh´erente complexit´e g´eom´etrique de ces derniers, ainsi que de la grande variabilit´e de g´eom´etrie d’un mod`ele `a un autre. De plus, les donn´ees issues de ces ´etudes sont rarement accessibles publiquement. C’est dans ce cadre qu’ont ´emerg´e `a partir du d´ebut des ann´ees 2000 un certain nombre de g´eom´etries pr´esentant des degr´es de simplification variables, allant de tr`es ´el´ementaires `a mod´er´ement complexes, qui permettent de donner `a
CHAPITRE I. REVUE DE LA LITT ´ERATURE RELATIVE AU BRUIT DE TRAIN D’ATTERRISSAGE
(a) (b) (c) (d)
Figure I.9 – Exemples de dispositifs passifs de r´eduction de bruit. (a) : Car´enage solide, (b) : car´enage poreux, (c) : membrane ´elastique, (d) : wiremesh
la communaut´e a´eroacoustique un cadre plus g´en´eral pour l’´etude du bruit de train d’atterrissage. Toutes ces g´eom´etries ont fait l’objet de campagnes exp´erimentales, qui ont permis dans un premier temps de constituer des bases de donn´ees sur la topologie de l’´ecoulement, mais ´egalement sur le rayonnement acoustique en champ lointain avec les mesures en soufflerie an´echo¨ıque. Ces bases de donn´ees de r´ef´erence ont ´egalement, comme on le verra par la suite, permis la validation des m´ethodes de simulation num´erique de l’´ecoulement et de la propagation acoustique `a travers des efforts collectifs tels que le Benchmark on Airframe Noise Computation (BANC). Ce paragraphe d´ecrit succinctement les principales g´eom´etries ”canoniques” de trains d’atterrissage et les campagnes exp´erimentales qui leur sont associ´ees.
I.3.3.1 Simplified/Rudimentary Landing Gear - RLG
(a) Simplified Landing Gear (tir´e de Quayle et al. [156])
(b) Rudimentary Landing Gear dans la soufflerie LSWT en Inde (tir´e de Venkatakrishnan et al. [204])
Figure I.10 – Illustration de la configuration RLG
La premi`ere g´eom´etrie simplifi´ee de train d’atterrissage, nomm´ee Simplified Landing Gear (SLG) a ´et´e ´etudi´ee par Lazos [111,110, 112] dans la soufflerie a´erodynamique BART de la NASA. Ces ´etudes pr´eli-minaires ont permis de d´eterminer la topologie de l’´ecoulement autour d’un train d’atterrissage de Boeing 757 tr`es simplifi´e consistant uniquement en quatre roues pleines li´ees par des essieux cylindriques (voir fig.I.10a). Aucune mesure acoustique n’a ´et´e effectu´ee lors de ces campagnes mais l’utilisation d’huile a permis de visualiser les zones de s´eparation et de rattachement de l’´ecoulement sur les roues. La pression pari´etale ainsi que les tensions de Reynolds dans l’´ecoulement ont ´et´e mesur´ees. Cette configuration a ´et´e reprise par Quayle et al. [156] qui, `a partir de l’´etude pr´eliminaire de Lazos, ont analys´e l’influence de la forme des roues sur le bruit ´emis par la mˆeme configuration, notamment en faisant varier leur rayon de courbure et leur espacement, et en utilisant un algorithme de formation de voies bas´e sur l’approche
CHAPITRE I. REVUE DE LA LITT ´ERATURE RELATIVE AU BRUIT DE TRAIN D’ATTERRISSAGE
CLEAN-SC pour la localisation des sources de bruit. Ce ”Simplified Landing Gear” a ´et´e l´eg`erement mo-difi´e par Spalart [192] afin de rendre la g´eom´etrie ”CFD friendly”, c’est-`a-dire, en rempla¸cant les sections circulaires des essieux par des sections rectangulaires (voir fig.I.10b). Cette nouvelle g´eom´etrie a donn´e lieu `a de nouvelles campagnes exp´erimentales men´ees par Venkatakrishnan et al. [204], Spalart et Mejia [188] et plus r´ecemment Reger et Cattafesta [163]. Dans cette derni`ere ´etude, les auteurs effectuent des mesures dans la soufflerie an´echo¨ıque UFAFF de l’Universit´e de Floride en pr´esence (bounded case) et en l’absence (unbounded case) d’un plancher afin d’´evaluer l’influence des potentielles r´eflexions acoustiques dues au fuselage de l’avion. Ils effectuent des normalisations de spectres avec la6`eme et7`eme puissanche du nombre de Mach, en tra¸cant les spectres en fonction du nombre de Strouhal bas´e sur le diam`etre d’une roue f D/U et en fonction du nombre de Helmholtz kD. Ils rel`event un bon accord avec la loi en puissance 6 du nombre de Mach pour des nombres de Strouhal inf´erieurs `a 20 dans le cas sans plancher, mais pas lorsque ce dernier est pr´esent, ph´enom`ene qu’ils attribuent aux r´eflexions acoustiques. Lorsqu’une norma-lisation en fonction du nombre de Helmholtz est faite, ils rel`event un accord qu’ils qualifient d’excellent avec la loi en puissance 7 du nombre de Mach pour kD >2, qu’ils rapprochent d’observations similaires de Guo [84] et Zawodny [220] et expliquent par le caract`ere non-compact du train d’atterrissage `a ces fr´equences.
I.3.3.2 LAnding Gear nOise database for CAA validatiON - LAGOON
(a) LAGOON #1 (b) LAGOON #2
Figure I.11 – G´eom´etries de la maquette LAGOON dans la soufflerie F2 de l’ONERA . (a) : configuration #1, (b) : configuration #2. La configuration #3 n’est pas publique.
Le projet LAGOON a ´et´e lanc´e et financ´e par Airbus en 2006, en coop´eration avec l’ONERA, le DLR et l’universit´e de Southampton dans le but d’´etablir une base de donn´ees a´erodynamique et acoustique ´etendue sur une configuration simplifi´ee de train avant d’Airbus A320 `a l’´echelle 1 :2.5. De mˆeme que le RLG, cette g´eom´etrie a ´et´e con¸cue pour ´evaluer la capacit´e des codes de simulation num´erique `a resti-tuer fid`element l’´ecoulement autour d’un train d’atterrissage. La g´eom´etrie LAGOON est modulaire et se d´ecline en trois versions de complexit´e croissante, la premi`ere ´etant la seule dont les r´esultats ont ´et´e rendus publics.
Les mesures ont ´et´e effectu´ees dans les souffleries F2 (soufflerie a´erodynamique `a veine ferm´ee) et CE-PRA19 (soufflerie an´echo¨ıque `a veine ouverte) de l’ONERA. La base de donn´ee exp´erimentale est pr´esent´ee pour la configuration #1 `a un nombre de Mach de 0.23 et sans incidence par Manoha et al. [121, 122]. Des cartographies PIV, des mesures LDV et par fil chaud des champs de vitesses instantan´es, ainsi que des signaux de pression pari´etale sont pr´esent´es. Des cartes de bruit sont obtenues par des algorithmes de formation de voies dans les deux souffleries. Deux composantes tonales sont observ´ees `a la fois dans les spectres de pression pari´etale et sur les micros en champ lointain pour les observateurs en direction sideline, localis´ees dans la zone inter-roues et attribu´ees `a un ph´enom`ene de r´esonance acoustique.
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I.3.3.3 Le train d’atterrissage avant de l’avion d’affaires Gulfstream G550
Dans le cadre d’un partenariat NASA-Gulfstream, une importante campagne de mesures en vol sur les avions d’affaires Gulfstream G450 et G550 a ´et´e men´ee en 2006. Les r´esultats de cette campagne d’essais ont ´et´e pr´esent´es `a la conf´erence AIAA de 2008 par Khorrami et al. [103]. Suite `a cette ´etude pr´eliminaire, les ´equipes de la NASA ont r´ealis´e des campagnes de mesures sur une version `a l’´echelle 1/4 du train d’atterrissage avant du mod`ele G550. Les mesures a´erodynamiques ont ´et´e r´ealis´ees au Langley Research Center (LaRC) de la NASA dans la soufflerie Basic Aerodynamics Research Tunnel (BART, cf. Neuhart et al.[140]) et les mesures acoustiques dans la soufflerie University of Florida Aeroacoustic Flow Facility (UFAFF, cf. Zawodny et al. [219]). Un point remarquable de cette ´etude est la pr´esence de la partie basse du fuselage de l’avion dans les mesures. Les mesures sont d´eclin´ees en plusieurs s´eries, selon la pr´esence ou non de la totalit´e des petits ´el´ements g´eom´etriques (configurations fully-dressed et partially-dressed ) et selon la pr´esence ou non de la soute du train d’atterrissage (cavity-open ou cavity-closed ). L’accent a ´et´e mis sur les configurations Fully-dressed, Cavity open - FDCO et Partially-dressed, Cavity closed - PDCC qui ont ´et´e plus instrument´ees. Cette derni`ere configuration a finalement ´et´e retenue comme cas de benchmark et a par la suite fait l’objet de simulations num´eriques dans le cadre du BANC. Le train d’atterrissage dans les configurations FDCO, PDCO et PDCC install´e dans la soufflerie UFAFF de l’Universit´e de Floride est pr´esent´e sur la figureI.12.
(a) FDCO (b) PDCO (c) PDCC
Figure I.12 – Train d’atterrissage Gulfstream dans ses diff´erentes configurations. Tir´e de Zawodny et al. [219]
I.3.3.4 Advanced Low Noise Landing (Main and Nose) Gear for Regional Aircraft - AL-LEGRA
Le projet europ´een Clean Sky ALLEGRA, d´emarr´e en 2013, a consist´e `a ´evaluer exp´erimentalement et num´eriquement l’efficacit´e de dispositifs de r´eduction de bruit sur une g´eom´etrie de train avant `a deux roues `a l’´echelle 1 et un train principal `a deux roues ´egalement, et `a l’´echelle 0.5 (voir figure I.13). A
(a) NLG (b) MLG
Figure I.13 – Illustration de la configuration ALLEGRA
l’instar du train Gulfstream, la partie basse du fuselage est ´egalement pr´esente dans les exp´eriences en soufflerie (voir par exemple Neri et al. [139, 138], ou encore Bennett et al. [9]). Les plus petits d´etails g´eom´etriques sont pr´esents, et les mesures en soufflerie sur la g´eom´etrie du train avant ont ´et´e r´ealis´ees en retirant successivement certains composants afin d’´evaluer leur importance relative sur le bruit g´en´er´e
CHAPITRE I. REVUE DE LA LITT ´ERATURE RELATIVE AU BRUIT DE TRAIN D’ATTERRISSAGE
par ce train d’atterrissage, ainsi que l’effet des dispositifs de r´eduction de bruit, tels que des caches pour les cavit´es des roues. Les mesures rapport´ees par Bennett et al. [9] sur le train avant font ´etat d’une ´evolution de la pression acoustique en champ lointain suivant une loi en puissance 7 du nombre de Mach entre 1.2 et 10 kHz (spectres pr´esent´es en fonction de la fr´equence non-adimensionn´ee) et de la pr´esence de deux contributions tonales qu’ils attribuent `a une r´esonance entre les roues et identifient comme r´esultant du mˆeme ph´enom`ene de r´esonance que sur le train LAGOON. Du fait de la simplicit´e g´eom´etrique du train LAGOON, la pr´esence de telles contributions tonales sur une g´eom´etrie r´ealiste peut paraˆıtre discutable. Leur observation sur un train d’atterrissage plus r´ealiste `a l’´echelle 1 tel que le train d’atterrissage ALLEGRA rend plus plausible la possibilit´e qu’elles puissent survenir sur un train d’atterrissage r´eel.