1,721,031 research outputs found
Analysis of high-order finite elements for convected wave propagation
Full text linkIn this paper, we examine the performance of high-order finite element methods (FEM) for aeroacoustic propagation, based on the convected Helmholtz equation. A methodology is presented to measure the dispersion and amplitude errors of the p-FEM, including non-interpolating shape functions, such as ‘bubble’ shape functions. A series of simple test cases are also presented to support the results of the dispersion analysis. The main conclusion is that the properties of p-FEM that make its strength for standard acoustics (e.g., exponential p-convergence, low dispersion error) remain present for flow acoustics as well. However, the flow has a noticeable effect on the accuracy of the numerical solution, even when the change in wavelength due to the mean flow is accounted for, and an approximation of the dispersion error is proposed to describe the influence of the mean flow. Also discussed is the so-called aliasing effect, which can reduce the accuracy of the solution in the case of downstream propagation. This can be avoided by an appropriate choice of mesh resolution
Integral methods for the caculation of the air flow noise in ducts in the presence of fixed obstacles
No full textCe manuscrit porte sur le développement d’une méthode de calcul du bruit d’écoulement à faible nombre de Mach en conduite en présence d’obstacles. Elle consiste en une simulation numérique de l’écoulement dont les données sauvegardées servent dans un deuxième temps à l’estimation du rayonnement acoustique. Le calcul de mécanique des fluides est réalisé avec un modèle de turbulence LES incompressible. Un code a été développé pour le calcul acoustique qui comprend la transformée de Fourier des données de l’écoulement, le calcul par méthode intégrale et les post-traitements. L’originalité de la méthode réside dans le fait qu’elle nécessite comme informations sur l’écoulement uniquement des données surfaciques. Aucune donnée volumique n’a besoin d’être sauvegardée durant le calcul de mécanique des fluides. Dans une conduite obstruée par un obstacle, les principales sources de bruit se situent à proximité de l’obstacle et le rayonnement diffracté sur l’obstacle domine sur le rayonnement direct des sources. C’est la diffraction du rayonnement incident qui rend négligeable les données volumiques dans le calcul acoustique. Elle est étudiée et illustrée à travers le cas simplifié du rayonnement d’une source placée à proximité d’un obstacle en conduite. Des comparaisons calculs/essais favorables valident la méthode et le code de calcul développé. Plusieurs configurations sont étudiées : l’insertion dans un conduit rectangulaire droit d’un diaphragme, d’un agencement de deux diaphragmes et d’un volet. En présence d’un diaphragme, une théorie de la similitude est introduite ; en présence d’un double diaphragme, des phénomènes d’interaction entre les deux obstacles apparaissent et sont analysés ; et en présence d’un volet, des résonances particulières sont examinées.This manuscript deals with the development of a calculation method of low Mach number flow noise in ducts in the presence of fixed obstacles. lt consists of a numerical simulation of the flow during which data are saved and used in a second time to estimate the acoustic radiation. The fluid calculation is performed with an incompressible LES turbulence model. A code has been developed for the acoustic computation which includes the Fourier transform of the flow data, the integral computation and the post-processing. The originality of the method lies in the fact that it requires as information on the flow only surface data. No volume term needs to be saved during the fluid calculation. ln a duct obstructed by an obstacle, the main sources of noise are located near the obstacle and the scattered field on the obstacle dominates on the direct radiation of the sources. lt is the diffraction of the incident radiation which makes the volume data negligible in the acoustic calculation. This is studied and illustrated through the simplified case of the radiation from a source located near a ducted obstacle. Favorable comparisons with measurements validate the method and the developed code. Several configurations are studied: the insertion into a straight rectangular duct of a diaphragm, an arrangement of two diaphragms and a flap. ln the presence of a diaphragm, a theory of similarity is introduced; in the presence of a double diaphragm, interaction phenomena between the two obstacles appear and are analyzed; and in the presence of a flap, particular resonances are examined
Development of a hybrid method for the prediction of low-speed axial fan broadband noise for industrial applications
No full textCette thèse a pour objectif de proposer une méthode permettant de simuler le bruit d'origine aérodynamique d'un ventilateur axial. Au vu de la faible vitesse de l'écoulement dans un tel systèmes, cette méthode peut s'appuyer sur une séparation du calcul en deux étapes distinctes : lors de la première étape, les phénomènes à l'origine de la génération du bruit sont déterminés, et la propagation des ondes est calculée pendant la seconde étape.
Tout d'abord, plusieurs méthodes applicables dans le cas d'obstacles mobiles sont comparées. Une extension au cas d'obstacles mobiles est étudiée en excluant du domaine de calcul les obstacles tournants. Si cette méthode donne des résultats cohérents, elle n'est pas à même de prédire l'effet de la rotation des obstacles et sous estime le bruit produit. Pour remédier aux lacunes de cette approche, une nouvelle méthode pour le calcul de propagation acoustique est ensuite proposée. Celle-ci permet de simuler correctement la rotation d'une portion du domaine, contenant des obstacles et sources acoustiques.The goal of this work is to put forward a method suitable for the computation of fan noise. The flow speed in such a system is low enough to separate the computation in two distinct steps: in the first one, the noise sources are estimated, and the wave propagation is computed in the second one.
First, several methods for fixed obstacles are compared. An extension to moving obstacles is then attempted by removing a portion of the volume from the computational domain. Although this method yields consistent results, the effect of the rotation is fully ignored and the noise level is underestimated. In order to remedy this, a new method for the computation of the wave propagation is then presented. This method allows us to predict correctly the rotation of the portion of the domain, which may contain moving obstacles and source
Numerical resolutions of the Lighthill equation by finite element method and integral equations to estimate the noise propagated by flow in ducts
No full textCette thèse s'inscrit dans le cadre du projet CISSCOH (Caractérisation et Identification des Sources Sonores dans les Composants Hydrauliques) soutenu par la Région Picardie et regroupant différents partenaires industriels (CETIM et Poclain Hydraulics) et universitaire (UTC). L'objectif est la conception d'outils de calculs numériques pour estimer les niveaux de bruit émis et localiser leur origine lors de la phase de conception d'un composant hydraulique. Dans nos travaux, on s'intéresse plus précisément au bruit émis dans un conduit, généré par l'interaction entre un écoulement de fluide et un obstacle placé dans le conduit. Cette interaction génère des turbulences sources de bruit. Pour déterminer le champ de pression acoustique généré et propagé dans le conduit, on s'appuie sur l'analogie de Lighthill, formulée en 1952. Une chaîne de calcul, visant à estimer cette pression, est développée avec deux étapes principales : calcul du champ source (tenseurs de Lighthill) et propagation de la pression générée par les sources. Pour l'estimation de la pression acoustique, deux méthodes numériques classiques sont développées: une méthode de discrétisation par éléments finis et une méthode reposant sur la formulation intégrale de l'équation de Lighthill. A partir de ces deux méthodes classiques, une méthode innovante dite hybride est développée, visant à combiner leurs avantages respectifs : la précision des éléments finis et la rapidité de la méthode intégrale. La chaîne de calcul basée sur la méthode hybride est validée sur des calculs réalisés à partir d'un modèle similaire à une étude disponible dans la littérature. Enfin, à partir d'un banc de mesure développé lors de précédents travaux au sein du laboratoire Roberval, des mesures sont réalisées avec un écoulement d'air dans un conduit rectangulaire, en y plaçant un diaphragme. Ces mesures ont permis d'étudier l'impact de paramètres, tels que la vitesse d'écoulement de l'air et la présence ou non d'un chanfrein, sur la puissance rayonnée dans le conduit. Des calculs ont été réalisés sur les modèles de diaphragmes associés, pour calculer la puissance acoustique rayonnée et confronter les résultats de calculs aux mesures. On montre que les résultats obtenus sont comparables aux résultats de mesure.This thesis is part of the CISSCOH project (Caractérisation et Identification des Sources Sonores dans les Composants Hydrauliques - Determination and identification of sound sources in hydraulic components) supported by the Picardie region and bringing together industrial (CETIM and Poclain Hydraulics) and academic (UTC) partners. Its purpose is the development of numeric calculation tools in order to estimate levels of sound emitted and localize their origin during the design phase of hydraulic components. Our work is more particularly focused on the sound emitted in a duct, created by the interaction between the fluid flow and an obstacle placed in the duct. This interaction creates turbulences which are source of sound. In order to determine the acoustic pressure field created and propagated in the duct, we build upon the Lighthill analogy, formulated in 1952. A calculation chain meant to estimate this pressure is developed around two main steps: calculation of the source field (Lighthill tensor) and propagation of the pressure generated by the sources For the estimation of the acoustic pressure field, two classical numeric methods are developed: a finite elements discretization method and a method based upon the integral formulation of the Lighthill equation. An innovative - hybrid - method is designed from these two classical methods, in order to combine the respective advantages of both: the accuracy of the finite elements and the quickness of the integral method. The calculation chain based on this hybrid method is validated with simulations made on a model similar to a study available in literature. Finally a test bench developed during previous studies at the Roberval laboratory is used to obtain results on an air flow in a rectangular duct in which is inserted a diaphragm. These tests allowed the study of the impact of parameters - like air flow speed and the presence or absence of a chamfer - on the radiated power in the duct. Simulations are made on the associated diaphragm models to calculate the radiated acoustic power and compare calculation and measurment results.We show that simulation results are in accordance with experimental results
Développement de super-éléments pour les structures multicouches visco-élastiques
No full textDe par leurs propriétés d'amortissement, les matériaux viscoélastiques sont souvent employés dans l'industrie automobile. C'est le cas pour les pare-brises qui sont constitués de deux feuilles de verre séparées par une ou plusieurs couches de matériaux viscoélastiques. A l'origine, la présence de ces matériaux visait exclusivement à retenir les bris de verre en cas d'accidents. Avec le temps, on s'est aperçu qu'ils permettaient de réduire les vibrations du pare-brise et par conséquent, le niveau sonore dans l'habitacle. Suite à cela, le pare-brise est devenu un élément central dans la conception acoustique des véhicules. Les propriétés mécaniques des matériaux viscoélastiques varient en fréquence, ce qui implique (i) d'adapter les méthodes numériques généralement utilisées en conception et (ii) de connaître les propriétés mécaniques à chaque pas de fréquence. En effet, les algorithmes classiques ne sont pas adaptés aux systèmes mécaniques composés de matériaux viscoélastiques. D'autres méthodes ont été développées mais peuvent être très coûteuses ou non adaptées à certains matériaux. Par ailleurs, les matériaux utilisés dans les parebrises font l'objet de nombreux brevets, et leurs propriétés sont souvent des données sensibles que l'on ne souhaite pas divulguer. Cette thèse répond à ces deux problématiques en proposant une méthode originale permettant de réduire les modèles numériques de structures complexes avec des propriétés dépendantes de la fréquence. Les effets d'amortissements sont d'abord pris en compte par un modèle de Golla-Hughes-McTavish qui, en ajoutant des nouvelles variables, renvoie un système où les coefficients ne dépendent plus de la fréquence. Ensuite, un algorithme basé sur la Proper Orthogonal Decomposition permet de réduire efficacement la taille du modèle sans perte notable d'information. Cette procédure permet deux choses : un calcul très rapide de réponses en fréquence, et la création de super-éléments, modèles réduits destinés être connectés à d'autres modèles numériques.Due to their damping properties, viscoelastic materials are often used in automotive industry, for example for windscreens. These special components are made of two sheets of glass separated by one or more interlayers of viscoelastic materials. Originally used to avoid projections of fragmented glass in case of crash, experience has shown that these interlayers lighten the amount of vibrations over the windscreen, and consequently the level of sound radiated in the passenger compartment. From this point, viscoelastic materials have become a central element in windscreen design. Nevertheless, mechanical properties of viscoelastic materials are strongly linked to the time/frequency, which involves (i) adapting the computation methods and (ii) knowing the value of these properties at each computation step. Point (i) concerns the manipulation of large numerical models that are mainly reduced through model reduction techniques, which is essential to solve the equations in a reasonable time. However, the presence of viscoelastic materials makes classical reduction tools inadequate. Even if several methods have been developed, they may remain either unsuited for highly damped materials or costly. The second point (ii) deals with confidentiality aspects. The materials constituting the interlayers of windscreens are subject to many patents, which avoids sharing numerical models since properties must be known for any calculations. This thesis is in line with these two issues and proposes an original procedure to build reduced models of mechanical structures made with materials with frequency dependent properties. The damping effects are taken into account through the Golla- Hughes-McTavish method, which returns a larger system of equations but in a conventional form. Then, an algorithm based on the Proper Orthogonal Decomposition allows to substantially reduce the dimensions of the system while keeping the desired accuracy. In doing so, two main objectives can be reached: performing very fast computations, and building so-called superelements, reduced models that can be connected to other numerical models. In both situations, there is no need to know the viscoelastic mechanicalproperties when solving the reduced equations
Measurement methodology of multi-modal acoustic characteristics for turbocharger noise in circular ducts
No full textLe turbocompresseur utilisé dans les véhicules thermiques légers est un palliatif au durcissement des normes d’émissions de polluants au 21e siècle. Il est aussi une source sonore non négligeable pour les normes de bruit et le confort des passagers. Cette source génère un bruit sur une large bande de fréquences induisant une propagation multimodale dans les conduites auxquelles il est relié. De plus, l’environnement de propagation acoustique peut être à température élevée, sous pression et soumis à un écoulement. Afin de maitriser la contribution sonore du turbocompresseur, l’objectif de cette thèse a été de proposer une méthode de mesure non intrusive des caractéristiques acoustiques de son étage compresseur. Dans ce contexte, le placement des microphones pariétaux est optimisé avec un algorithme génétique afin de maximiser la précision de la décomposition des modes propagatifs d’ordre élevé. Une solution analytique d’une source rayonnant dans un conduit fermé d’un côté et rempli d’un matériau poreux de l’autre est développée ainsi qu’un banc d’essai dédié. Ces outils permettent la comparaison des coefficients d’absorption multimodaux analytiques et expérimentaux pour attester de la décomposition modale. En s’appuyant sur ces résultats, la caractérisation acoustique du turbocompresseur a pu être réalisée sur un second banc d’essai à l’aide du modèle 2N-port. Ceci a permis de produire des données expérimentales sur la matrice de diffusion multimodale en statique et en dynamique ainsi que le vecteur source multimodal pour l’entrée et la sortie du compresseur.Since the 21st century, the automotive industry has experienced a tightening of polluting and noise emission standards for passenger vehicles. Thus, the displacement of internai combustion engine has been reduced and the turbocharger was developed to compensate for the loss of performance. However, the turbocharger is also a source of noise pollution and discomfort for a vehicle, which why the sound it generates needs to be controlled. lt is therefore proposed to study this problem b developing a method for accurate measurement of noise at the compressor inlet and outlet. The measurement takes place in cylindrical ducts using a network of acoustic pressure sensors over wide frequency range, including the multi-modal propagation domain. Due to its operation, the turbocharger imposes a non-intrusive measurement in a constraining environment with flow, stati overpressure and depression as well as a rise in atmospheric temperature. ln this context, the placement of the sensors is studied and optimized using a genetic algorithm in order to maximize the accuracy of the decomposition of the propagative modes. This modal decomposition is validatec with a specific designed test bench to measure the modal coefficients in a closed duct and the development of an analytical solution associated with this experiment. This allows the use of the 2N port model for the acoustic description of the turbocharger. This model is used on a second tes bench combining a turbocharger test bench and the acoustic measurement method proposed here This model allows passive characterization through the calculation of the diffusion matrix and active through the determination of the acoustic source vector. By its formulation, this model is freed fron the sound sources of the measurement environment to obtain only the sound generated by the turbocharger. The method presented describes and then synthesize the complex acoustic behaviour of the turbocharger. The results obtained contribute to the knowledge of compressor noise in the contex of the dimensioning of vehicle intake lines and vehicle acoustic synthesis by manufacturers anc equipment manufacturers
Modelling of an acoustic treatment based on porous materials for aero-engine noise reduction
No full textLe besoin permanent de réduire le bruit des moteurs d’avion constitue un véritable engouement pour le développement de nouveaux traitements acoustiques. Les traitements traditionnels de type résonateur continuent d’être utilisé et permettent d’atténuer le son sur une bande de fréquence restreinte malgré l’augmentation du nombre de degré de liberté. Une alternative possible est l’utilisation de matériaux poreux, dit à réaction non localisée, qui permettent d’élargir le spectre d’atténuation. Ce rapport est consacré à la modélisation d’un traitement acoustique basé sur des matériaux poreux dans les conditions d’une manche d’entrée d’air de turboréacteur. Un modèle semi-analytique a donc été développé pour le calcul de la perte par transmission d’un conduit cylindrique traité en paroi et soumis à un écoulement uniforme. Une étude paramétrique a ensuite été réalisée afin de cibler les caractéristiques du traitement optimal pour une configuration aéronautique donnée. Des résultats expérimentaux sur une veine à échelle réduite sont également montrés et témoignent d’un certain accord avec le calcul. Enfin, dans le but d’approfondir les connaissances théoriques sur le problème, une étude préliminaire sur les effets d’une couche limite est réalisée et montre que sa prise en compte parait indispensable pour bien choisir les traitements acoustiques, surtout à haute fréquence.The constant need to reduce noise emissions from aircraft engine leads to a real demand for developing new acoustic treatments. Conventional liners based on resonatorlike structure continue to be used and provide narrow-band attenuation in spite of an increasing degree of freedom. A possible alternative is the use of porous materials (nonlocally reacting), which offer the possibility of broadening the attenuation spectrum. This report deals with the modelling of an acoustic treatment based on porous materials for aeroengine nacelle inlet. A semi-analytical model is developed for predicting the transmission loss of a treated cylindrical duct containing uniform mean flow. Then, a parametrical study is carried out in order to target the optimal liner characteristics for a given turbofan duct application. Also, experiments have been performed on a small-scale duct and have shown agreement with the simulation. Finally, for a better theoretical unv derstanding of the problem, a preliminary study on the effect of a boundary layer is conducted and shows that its consideration seems to be essential for optimal choice of acoustic lining, espacially at high frequencies
Noise modeling of helicopters air conditioning systems
No full textUn système de conditionnement d’air d’hélicoptère comporte une source aéroacoustique difficile à modéliser. Elle provoque un bruit essentiellement haute fréquence, ce qui induit une propagation multimodale au sein des conduits du dispositif. De plus, ces derniers peuvent être de formes complexes : intersections, silencieux, sorties rayonnantes. Les présents travaux de thèse visent à lever ces difficultés, en proposant une méthode de calcul acoustique depuis la source vers les récepteurs, compatible avec les contraintes de l’industrie.The environmental climatic system of a helicopter is composed of an aeroacoustic source difficult to simulate. It induces a high pitched noise, which leads to a multimodal propagation within the ducts of the device. Moreover, the latter can have complex shapes : intersections, mufflers, radiating outlets. This works aims to remove these difficulties, by proposing an acoustic calculation method from the source to the receptors, adapted to the industry
Analysis of the efficiency of parallel baffle silencers and design of optimized solutions at low frequencies
No full textLes silencieux à baffles parallèles sont largement utilisés dans les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC) pour réduire le bruit généré par les sources aérauliques. Ces silencieux sont composés d'un certain nombre de baffles insérés dans un conduit de section rectangulaire. Chaque baffle est constitué d'un cadre métallique garni d'un matériau absorbant. Ce travail de thèse vise à analyser l'efficacité acoustique de ces silencieux afin d'en améliorer les performances en basses fréquences. Dans un premier temps, un modèle de propagation bidimensionnel à ``couches'' est développé afin de prédire les pertes par transmission pour une large variété de ce type de silencieux. Ce modèle multimodal repose principalement sur le calcul des modes acoustiques pour la pression moyenne dans chaque couche et a pour avantage de simplifier grandement la procédure de raccordement modal à l'interface entre deux domaines successifs. C'est un modèle facilement implémentable et approprié à des procédures d'optimisation de par sa rapidité et sa facilité de mise en données. Il a été validé expérimentalement lors de deux campagnes de mesure à des échelles réduite et réelle. Dans un second temps, le modèle développé est utilisé pour appréhender différentes pistes d'amélioration en basses fréquences et concevoir des solutions optimisées. Des premières pistes sont examinées dans le cas de silencieux standards concernant l'influence du nombre de baffles, de la symétrie et de la périodicité du silencieux sur le couplage modal et les performances acoustiques. Les autres pistes d'amélioration ainsi que les solutions optimisées ne figurent pas dans cette version pour des raisons de confidentialité.Baffle-type silencers are widely used in the heating, ventilation and air conditioning (HVAC) systems of buildings to reduce noise being emitted from air-moving devices such as fans and air conditioners. These silencers generally consist of several baffles inserted in a duct with a rectangular cross section. Each baffle is made of sound absorbing material such as rockwool or glasswool. Usually, a metallic fairing is also placed at each end of the baffle. This thesis aims to analyze the effectiveness of these acoustic silencers to improve performance at low frequencies. First, a two-dimensional multimodal model is developed to predict the transmission loss for a wide variety of this type of silencer. The numerical model relies mainly on the computation of approximate acoustic modes for the mean pressure in each layer corresponding either to the airway or the baffle. The method offers the advantage that it greatly simplifies the mode matching procedure at the junction between successive domains and it can be used to tackle relatively complex geometrical configurations with the possibility of taking into account the presence of resistive screens between the porous baffle and the air domain. It is also an easy-to-implement and relatively inexpensive model suitable for optimization purposes. It has been experimentally validated in two measurement campaigns at reduced and actual scales. In a second step, the developed model is used to investigate different ways of improving performance at low frequencies. Suggested improvements are discussed in the case of standard silencers regarding the influence of the number of baffles, symmetry and periodicity of the silencer on the modal coupling and acoustic performance. For confidentiality reasons, other suggested improvements and optimized solutions are not included in this version
Using the MFS for the analysis of the sound absorption by a porous plate containing a periodic array of inclusions
No full textInternational audienceThe Method of Fundamental Solutions (MFS) is now a well-established technique that has proved to be reliable for a specific range of wave problems such as the scattering of acoustic and elastic waves by scatterers of regular shapes or by gratings. The aim of this work is to show that the technique can be used to model absorption problems whereby an incident acoustic wave impinges on a porous plate of finite thickness in which periodic inclusions are embedded. The inclusions may be of different type such as rigid scatterers of various shape or cavities filled with air or with another porous material. The extension of the MFS to periodic problems is obtained by using appropriate periodic Green's functions for which highly convergent series exist. The influence of the inclusions is illustrated on various examples in order to enhance the absorption properties in the low frequency range or around specific frequency ranges
- …
