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Effets de l'injection d'eau sur la réduction des niveaux de bruit des jets en interaction dans le cadre lanceur.

Description

Le bruit engendré par les jets des moteurs fusée des lanceurs spatiaux constitue une contribution majeure à l'ambiance acoustique sur le pas de tir et peut induire des sollicitations mécaniques importantes sur le lanceur, sa charge utile et les structures environnantes. Pour éloigner les jets du pas de tir, divers systèmes de carneaux sont utilisés et doivent être dimensionnés. L'étude du bruit

des jets supersoniques fait l'objet de nombreux travaux numériques, de développements de  modèles semi-empiriques et d'expériences en laboratoire. Les recherches sur l'acoustique du anceur Ariane ont ainsi permis d'obtenir des réductions significatives des niveaux acoustiques grâce au rallongement des carneaux et à l'injection d'eau sur le pas de tir. Pour aller au-delà et  atteindre une bonne maîtrise des mécanismes générateurs de bruits, décrire leurs multiples  interactions et optimiser les dispositifs de réduction, une approche complète par simulation numérique, combinant des outils avancés pour la CFD et la CAA, est nécessaire.

 

Travaux antérieurs et actuels

A l'ONERA, l'approche développée pour la compréhension des mécanismes générateurs de bruit s'appuie sur un calcul CFD (production des sources) allié à un calcul CAA (évaluation du champ acoustique). Cette approche est largement utilisée par les acteurs internationaux du secteur spatial (JAXA, NASA). Parmi les avancées récentes, dans le cadre d'un projet de recherche interne,

l'ONERA a mis en place un couplage fort ("two-way coupling" en anglais) entre deux codes travaillant sur des maillages non-structurés. Le calcul des sources est réalisé via une simulation instationnaire multi-espèces de type LES (code ONERA CEDRE) et le calcul acoustique est effectué grâce à une méthode de Galerkine discontinue résolvant les équations d'Euler (code ONERA SPACE). Le coulage entre ces deux codes est réalisé par la bibliothèque de couplage CWIPI de l'ONERA. Cette approche permet d'enrichir et compléter l'approche classique (où la reconstruction acoustique est réalisée en post-traitement avec une méthode intégrale surfacique linéaire) de manière à prendre en compte les effets non-linéaires induits par les forts niveaux acoustiques et les géométries complexes associées aux pas de tir réels. Cette méthodologie a été appliquée à des cas de complexité croissante dans le cadre d'un Projet d'Intérêt Commun (PIC) avec le CNES et d'une thèse soutenue en 2018 : jet chaud supersonique libre, impactant une plaque inclinée ou une plaque trouée et en carneau. Cette approche est particulièrement adaptée à la prise en compte des interactions de l'acoustique avec les structures environnantes sur lesquelles de nombreuses réflexions peuvent avoir lieu. Par ailleurs, l'effet de la turbulence initiale du jet en sortie de tuyère sur la qualité de la simulation du jet et des sources acoustiques a été étudié en détail. Les résultats numériques ont été validés avec ceux obtenus par le CNES sur le banc MARTEL de l'institut Pprime de Poitiers. Les travaux actuels portent sur la simulation des effets de l'injection d'eau sur la réduction des niveaux acoustiques et font l'objet de cette thèse. Un premier calcul de jet impactant une plaque trouée, à l'altitude où le niveau de bruit est maximal et où l'eau est injectée azimutalement en périphérie du jet, a été mené. Ces premiers travaux ont permis de montrer la faisabilité de telles simulations avec un premier niveau de modélisation et ont permis de dégager des voies de recherche pour amener ce type de simulations aux niveaux de précision et de fiabilité attendus. Plusieurs pistes sont ainsi envisagées : (i) étudier le bruit propre du système d'injection d'eau, (ii) décrire le mélange en présence de l'atomisation des jets d'eau,  (iii) préciser l'importance de l'évaporation de l'eau.

 

Objectifs et résultats attendus

L'objectif de la thèse est de poursuivre, en lien avec le CNES (demande d'un co-financement CNES prévue), l'étude des dispositifs de réduction de bruit. En particulier, il est nécessaire d'examiner quels sont les paramètres et les mécanismes agissant sur la réduction du bruit (transferts de quantité de mouvement, atomisation, évaporation), en lien avec ceux responsables de leur génération. L'accent sera mis sur les modèles multi-phasiques (pulvérisation, atomisation, brouillard) et physiques (chauffage, traînée, évaporation, …) pour déterminer leur influence sur l'acoustique. Par la suite, les différents types d'injection (azimutale, massif, palette) ainsi que leurs paramétrages (débit, angle …) seront évalués dans le but d'optimiser la réduction des niveaux acoustiques. Dans ce cadre, les résultats de la thèse pourront être validés à l'aide des campagnes expérimentales conduites par le CNES sur le banc MARTEL. Enfin, les effets d'échelle des dispositifs de réduction entre le banc MARTEL et un pas de tir type Ariane seront explorés. Cette thèse se déroulera en lien étroit avec les travaux menés dans le cadre du PIC mentionné plus haut.

Profil

Formation : Ingénieur, Master 2 Recherche

Spécificités souhaitées : Mécanique des fluides, énergétique, diphasique, aéroacoustique, traitement du signal

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : ONERA
Directeur(rice) de thèse/recherche : MILLAN Pierre
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : pierre.millan@onera.fr
Responsable Cnes de l'offre : LAMBARE Hadrien

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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