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PhD "Calcul du bruit de décrochage statique et dynamique d’un profil d’aile en oscillation de tangage", IMSIA - ENSTA, Palaiseau (France)

Du 1 septembre 2022 au 31 août 2025

Site actualite
Contact :
benjamin.cotte@ensta-paris.fr
philippe.lafon@edf.fr.

L’objectif de cette thèse est de comprendre les mécanismes à l’origine du bruit de décrochage statique et dynamique à l’aide de simulations des grandes échelles ou de méthodes hybrides RANS-LES, et de proposer des méthodes de réduction en jouant sur la forme des profils (épaisseur et cambrure) et la forme du bord d’attaque.

 

Calcul du bruit de décrochage statique et dynamique d’un profil d’aile en oscillation de tangage 

 

Mots clés
aéroacoustique, simulations des grandes échelles, décrochage dynamique, bruit de bord de fuite, analogie acoustique, éolienne 
Profil et compétences recherchées
Master 2 ou équivalent en mécanique des fluides ou acoustique, avec une solide formation en méthodes numériques
Des connaissances de programmation scientifique (Fortran, C/C++, Python, Matlab) seront fortement appréciées.
Résumé du projet de thèse
Dans le contexte des machines tournantes, l’angle d’attaque d’une section de pale peut varier pendant la rotation lorsque l’écoulement amont est inhomogène. Cela a été démontré par exemple par des chercheurs danois sur une pale d’éolienne instrumentée, et le même type de phénomènes peut se produire sur des hélices marines (effet du sillage de la carène) ou sur des drones (interaction entre propulseurs). Lorsque l’angle d’attaque atteint des valeurs suffisamment élevées, la couche limite peut décoller et un phénomène de décrochage peut se produire, ce qui se traduit par une forte modification du spectre du bruit rayonné par le profil. L'objectif de cette thèse est de comprendre les mécanismes à l’origine du bruit de décrochage statique et dynamique à l'aide de simulations des grandes échelles ou de méthodes hybrides RANS-LES, et de proposer des méthodes de réduction en jouant sur la forme des profils (épaisseur et cambrure) et la forme du bord d’attaque.

Le programme de travaille s’articule autour de 4 axes :
1. Simulations de l’écoulement autour d’un profil d’aile à grand angle d’attaque
2. Calcul du bruit de décrochage en régime statique et identification des structures tourbillonnaires à l’origine du bruit 
3. Calcul du bruit de décrochage en régime dynamique
4. Réduction du bruit de décrochage à l’aide d’ondulations de bord d’attaque ou d’une modification de la forme du profil

Les simulations d’écoulement seront réalisées avec le logiciel libre Code_Saturne (www.codesaturne.org) développé par EDF R&D, et la pression acoustique au niveau du récepteur sera calculée dans un deuxième temps à l’aide d’une analogie acoustique. L’identification des structures tourbillonnaires à l’origine du rayonnement acoustique sera réalisée avec une méthode de décomposition en valeurs propres dans l’espace spectrale (SPOD), ce qui nous permettra de mieux comprendre les mécanismes de génération de bruit afin de les contrôler.
Thématiques Domaine 
Aérocoustique - Aeroacoustics 
Acoustique et mécanique des fluides – Acoustics and fluid mechanics 
Objectif et contexte 
L'objectif de cette thèse est de comprendre les mécanismes à l’origine du bruit de décrochage statique et dynamique à l'aide de simulations des grandes échelles ou de méthodes hybrides RANS-LES, et de proposer des méthodes de réduction en jouant sur la forme des profils (épaisseur et cambrure) et la forme du bord d’attaque. 
Dans le contexte des machines tournantes, l’angle d’attaque d’une section de pale peut varier pendant la rotation lorsque l’écoulement amont est inhomogène. Cela a été démontré par exemple par des chercheurs danois sur une pale d’éolienne instrumentée. Lorsque l’angle d’attaque atteint des valeurs suffisamment élevées, la couche limite peut décoller et un phénomène de décrochage peut se produire, ce qui se traduit par une forte modification du spectre du bruit rayonné par le profil. Nous avons montré ce phénomène récemment lors d’essais dans la soufflerie anéchoïque de l'Ecole Centrale de Lyon dans le cadre du projet ANR PIBE (Prévoir l’Impact du Bruit des Eoliennes - https://www.anr-pibe.com). Un profil d’aile symétrique (NACA 0012) et un profil d’aile cambré (NACA 63(3)418) ont été testés en régime statique et dynamique (oscillations de tangage).

Les mécanismes de génération de bruit de décrochage sont encore mal compris, et des simulations numériques d’écoulement couplées à une analogie acoustique seraient très utiles pour identifier les structures tourbillonnaires à l’origine du bruit. Cela permettra de développer des modèles de bruit de décrochage, et de proposer des méthodes de réduction de bruit efficaces. 
Méthode
Le programme de travail est structuré en quatre axes principaux :
1. Simulations de l’écoulement autour d’un profil d’aile à grand angle d’attaque
Cet axe de travail est dans la continuité des travaux de thèse de Tommy Rigall. L’écoulement autour du profil est calculé par simulations des grandes échelles (LES) ou méthodes hybrides RANS-LES incompressibles à l’aide du logiciel libre Code_Saturne (www.codesaturne.org) développé par EDF R&D. Ce code est adapté pour réaliser des calculs massivement parallèles sur des centaines de cœurs, et il est prévu de réaliser les calculs sur un des supercalculateurs du GENCI (www.genci.fr).
Les résultats des simulations seront confrontés aux bases de données expérimentales collectées dans le cadre des projets AEROAC et PIBE, pour des épaisseurs et cambrures de profil (NACA 0012, NACA 0018, NACA 63-418). L’effet de la taille du domaine selon l’envergure sera étudié en détails, et nous chercherons à obtenir la méthode hybride RANS-LES qui permette le meilleur compromis entre coût de calcul et précision des résultats.

2. Calcul du bruit de décrochage en régime statique et identification des structures tourbillonnaires à l’origine du bruit 
Le calcul de la pression acoustique au niveau du récepteur peut être réalisé soit à l’aide de la théorie d’Amiet (1976), à partir du spectre de pression pariétale proche du bord de fuite et de la longueur de corrélation selon l’envergure obtenus numériquement, soit à partir de l’analogie volumique de Ffocws-Williams et Hall (1970), en utilisant par exemple la formulation simplifiée de Wang et Moin (2000).
Afin d’identifier les structures tourbillonnaires à l’origine du rayonnement acoustique, il est possible d’utiliser une méthode de décomposition en valeurs propres dans l’espace spectrale (SPOD), proposée récemment par Towne et Schmidt (2018), et que nous sommes en train de tester sur des mesures PIV dans le cadre de la thèse de Lisa Sicard (projet ANR PIBE). L’identification de ces structures nous permettra de mieux comprendre les mécanismes de génération de bruit, afin de les contrôler (voir point 4), et également de construire un modèle réduit du phénomène.

3. Calcul du bruit de décrochage en régime dynamique à l’aide de simulations des grandes échelles incompressibles
Afin d’étendre les résultats de l’axe précédent au régime dynamique, nous nous intéresserons aux méthodes de calcul par maillage mobile, comme la méthode ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) implémentée dans Code_Saturne. Dans ces configurations, il sera déterminant de disposer d’une méthode de calcul hybride RANS-LES performante, afin de pouvoir atteindre des régimes intéressants (configurations expérimentales d’intérêt) sur des durées significatives. 
Les résultats des simulations seront confrontés aux bases de données expérimentales collectées dans le cadre des projets AEROAC et PIBE, dans des régimes quasi-statique (faibles valeurs de la fréquence réduite) et dynamiques (fortes valeurs de la fréquence réduite).

4. Réduction du bruit de décrochage à l’aide d’ondulations de bord d’attaque ou d’une modification de la forme du profil
Il a été montré dans la littérature que certains profils épais, typiquement utilisés dans les applications éoliennes, présente un décrochage plus tardif et plus progressif que les profils plus fins. De même, les ondulations de bord d’attaque peuvent être utilisées pour retarder l’apparition du décrochage. Nous étudierons dans cet axe quelle méthode est la plus efficace pour réduire le bruit de décrochage, tout en maintenant de bonnes performances aérodynamiques.
Précision sur l'encadrement
La thèse sera encadrée par Benjamin Cotté (50%) et Philippe Lafon (50%), en collaboration avec l’équipe de développement de Code_Saturne chez EDF R&D. Le doctorant sera intégré à l'équipe « Dynamique des Structures et des Fluides et Acoustique » de l’IMSIA à l’ENSTA Paris.
Conditions scientifiques matérielles (conditions de sécurité spécifiques)  
et financières du projet de recherches
Le sujet de thèse est proposé au Concours des Allocations Doctorales de l’ED IP Paris.
Objectifs de valorisation des travaux de recherche du doctorant : diffusion, 
publication et confidentialité, droit à la propriété intellectuelle,...
Les travaux de recherche du doctorant seront valorisés au travers de participations à des conférences nationales et internationales, et de publications dans des revues internationales à comité de lecture.
Collaborations envisagées
Le travail sera réalisé en collaboration avec Sofiane Benhamadouche et Jean-François Wald, ingénieurs-chercheurs EDF R&D qui font partie de l'équipe de développement de Code_Saturne.

Des collaborations sont envisagées avec le LMFA (Michel Roger et Emmanuel Jondeau) sur la comparaison des calculs numériques avec les mesures des configurations du projet ANR PIBE.



Modalités pratiques

Profil souhaité : titulaire d’un M2 recherche ou d’un diplôme d’inge ́nieurs, avec une bonne formation en me ́canique des fluides et en méthodes numériques.

Encadrement : Benjamin Cotté (Enseignant-chercheur ENSTA Paris) et Philippe Lafon (Ingénieur-chercheur EDF E&D) de l’IMSIA (https://www.imsia.cnrs. fr/), en partenariat avec l’équipe de développement de Code Saturne.

Lieu et début de thèse : la thèse se éroulera à l’IMSIA à Palaiseau, avec un début prévu à l’automne 2022.

Financement : Thèse AID classique (https://www.defense.gouv.fr/aid/appels-a-projets/appel-a-projets-theses-aid-classiques) ou bourse MESR (https://www.enseignementsup-recherche.gouv.fr). Possibilité de vacations d’enseignement pour compléter le salaire de base.

Pour candidater : envoyer CV, lettre de motivation et une liste de référents avant le 15 avril 2022 à
benjamin.cotte@ensta-paris.fr
et
philippe.lafon@edf.fr.

Références bibliographiques 
[1] D. Raus, L. Sicard, B. Cotté, R. Monchaux, E. Jondeau, P. Souchotte, and M. Roger, 2020, Experimental characterization of the noise generated by an airfoil oscillating above stall, AIAA Aviation Forum 2021, paper 2021-2291.
[2] D. Raus, B. Cotté, R. Monchaux, E. Jondeau, P. Souchotte, and M. Roger, Experimental study of the dynamic stall noise on an oscillating airfoil, soumis au Journal of Sound and Vibration le 30/09/2021.
[3] T. Rigall, B. Cotté et P. Lafon, Airfoil Noise Numerical Simulations with Direct Noise Computation and Hybrid Methods Using Inflow Synthetic Turbulence, 25th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, 20-23 mai, Delft, Netherlands, 2019.
[4] N. Trafny, Développement d’une approche semi-analytique pour la prédiction du bruit large-bande produit par l’interaction entre un écoulement turbulent et un obstacle rigide de forme complexe. Application au bruit des hélices marines et des appendices de navires hors cavitation, thèse de doctorat de l’Institut Polytechnique de Paris, 2021.
[5] S. Chaillat, B. Cotté, J.-F. Mercier, G. Serre, N. Trafny, Efficient evaluation of three-dimensional Helmholtz Green’s functions tailored to arbitrary rigid geometries for flow noise simulations, Journal of Computational Physics 452, n°110915, 2022.
[6] T. Rigall, B. Cotté et P. Lafon, Low Noise Synthetic Turbulence Tailored to Lateral Periodic Boundary Conditions, Fluids 6, 2021, https://doi.org/10.3390/fluids6060193.
[7] Y. Tian and B. Cotté, Wind Turbine Noise Modeling Based on Amiet's Theory: Effects of Wind Shear and Atmospheric Turbulence, Acta Acustica United with Acustica 102(4): 626-639, 2016.