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Etude aéroacoustique de l'interaction entre deux jets supersoniques par simulation des grandes échelles

Description

Dans les domaines aéronautique et aérospatial, deux jets supersoniques sont couramment utilisés pour la propulsion. C’est le cas pour les lanceurs spatiaux, les avions de chasse ou de transport supersoniques et les futurs vaisseaux spatiaux. Ces deux jets peuvent interagir entre eux et déclencher des modes d’instabilité globaux organisés de manière axisymétrique ou hélicoïdale. Ces modes ont par exemple été observés expérimentalement pour deux jets supersoniques ronds par Kuo et al. [1], comme il est mis en évidence sur la Figure 1. Ils peuvent être à l’origine d’un rayonnement acoustique intense, entraînant des dommages par fatigue sur l’empennage et les buses, comme cela a été observé lors de la mise au point de l’avion de chasse F-15 [2]. Depuis, ces interactions ont été étudiées expérimentalement puis numériquement mais le mécanisme d’interaction entre les jets est toujours inconnu. Or la compréhension des interactions entre les jets revêt un caractère important pour le design des futurs aéronefs supersoniques, militaires ou civils. 

Ce projet est en lien avec les industries aéronautique et aérospatiale. Hadrien Lambaré du CNES a notamment montré son intérêt pour ce type de configuration. Le CNES est en effet en train de tester un montage double-jet au banc Martel, à Poitiers, avec des campagnes de mesures PIV et acoustique [3]. De plus, Christophe Bogey (Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique, Ecole Centrale de Lyon), co-encadrant de la thèse et expert en bruit de jets, participera activement à la direction de cette thèse.

II. Programme de la thèse :

Les objectifs principaux de cette thèse sont :

  1. Arriver à reproduire par simulation des grandes échelles les modes d’instabilité globaux observés expérimentalement notamment par Bell et al. [4] avec des jets doubles froids supersoniques possédant un nombre de Mach idéalement détendu de l’ordre de 1.4. 
  2. Analyser les résultats numériques à l’aide de méthodologies de post-traitement innovantes afin d’examiner les interactions entre les deux jets et de comprendre le mécanisme à l’origine de ces modes d’instabilité globaux.
  3. Effectuer des simulations des grandes échelles de configurations de type CNES de Hadrien Lambaré [3] afin de traiter un cas représentatif d’un lanceur spatial avec des jets doubles chauds supersoniques possédant un nombre de Mach idéalement détendu de l’ordre de 3.

Dans la première partie de cette thèse, des simulations des grandes échelles compressibles de deux jets supersoniques seront menées à l’aide d’un code de recherche développé en interne appelé IC3. Ce code a déjà été utilisé pour la simulation des grandes échelles de l’interaction entre un choc et une couche limite turbulente [5]. Il est parallélisé avec MPI et peut être déployé sur des millions de processeurs afin de réaliser des simulations au meilleur niveau académique. Ce code résout les équations de Navier-Stokes compressibles sur des maillages non-structurés, ce qui permettra au candidat d'obtenir directement les champs aérodynamiques et acoustiques des jets. Cette approche demande une grande précision afin de permettre la résolution simultanée des variations de pression hydrodynamique et des variations de pression acoustique, séparées de plusieurs ordres de magnitude. L’équipe de direction du candidat pourra l’aider dans cette tache puisque la simulation de jets ronds supersoniques libres ainsi que de jets ronds et plans impactant une paroi ont déjà été effectuées par les encadrants de cette thèse à l’aide d’un autre code de recherche développé au LMFA à l’Ecole Centrale de Lyon [6-9].

Pour effectuer la simulation des grandes échelles de double jets supersoniques expérimentaux, dont le nombre de Reynolds est de l’ordre de 1 000 000, le code de recherche IC3 sera utilisé et le candidat apprendra à utiliser le code et réfléchira à la meilleure stratégie en terme de maillage, de schémas numériques, et de méthode de capture de choc. Le candidat pourra être amené à programmer de nouveaux schémas numériques afin de simuler avec la plus grande précision ce problème. Afin de simuler avec fidélité ce problème, des maillages contenant environ 1 milliard de points seront considérés. Le candidat sera amené à calculer dans un premier temps sur le nouveau cluster informatique du DAEP qui arrivera fin 2018 et qui comportera approximativement 4000 processeurs. Par la suite, le candidat mettra en production ses simulations des grandes échelles de deux jets supersoniques turbulents sur les cluster régionaux (CALMIP), nationaux (CINES, GENCI) voire européens au travers d’un appel à projet PRACE en fonction des besoins identifiés en puissance de calcul et en nombre d’heures. 

Dans la deuxième partie de cette thèse, les résultats numériques seront comparés aux très récents résultats expérimentaux de Bell et al. [4]. Les simulations seront ainsi validées. Les résultats seront ensuite analysés en détail à l’aide de méthodologies de post-traitement innovantes afin d’examiner les interactions entre les deux jets. Une modélisation analytique et/ou une analyse de stabilité seront également menées, en fonction du mécanisme d’interaction identifié. La compréhension de ce mécanisme permettra la prise en compte de ces interactions lors de la phase du design des futurs aéronefs supersoniques.

Dans la dernière partie de cette thèse, des jets doubles chauds supersoniques possédant un nombre de Mach idéalement détendu de l’ordre de 3 seront simulés. Ces jets, représentatifs des jets de lanceurs spatiaux, permettront, en addition avec les études expérimentales [3], d’étudier l’impact de la montée en Mach et de la montée en température sur ces modes d’instabilités globaux, afin de conclure sur la nécessité de prendre en compte ces modes lors du design de lanceurs spatiaux.

 Références  

[1]  Kuo, C. W., Cluts, J. & Samimy, M., An investigation of twin supersonic jet coupling., AIAA Paper2016-1113, 2016. 

[2] Seiner, J. M., Manning, J. C. & Ponton, M. K., Dynamic Pressure Loads Associated with Twin Supersonic Plume Resonance., AIAA Journal, Vol. 26, No. 8, pp. 954960, 1988. 

[3] Lambaré, H., Experimental study of the aeroacoustic interaction between two supersonic hot jets., The Journal of the Acoustical Society of America, 142(4), pp. 2490-2490, 2017.

[4] Bell, G., Soria, J., Honnery, D., & Edgington-Mitchell, D., Particle Image Velocimetry Analysis of the Twin Supersonic Jet Structure and Standing-Wave, AIAA Paper2017-3517,2017.

[5] Grébert, A., Bodart, J., Jamme, S., Joly, L., Simulations of shock wave/turbulent boundary layer interaction with upstream micro vortex generators. TSFP10, vol 2B-2. 

[6] Gojon R.,Bogey C.& Marsden O., Investigation of tone generation in ideally expanded supersonic planar impinging jets using large-eddy simulation, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 808, pp. 90-115, 2016.

[7] Gojon R. & Bogey C., Flow structure oscillations and tone production in underexpanded impinging round jets, AIAA Journal, vol. 55, no. 6, pp. 1792–1805, 2017.

[8] Bogey C. & Gojon R., Feedback loop and upwind-propagating waves in ideally-expanded supersonic impinging round jets, Journal of Fluid Mechanics, vol. 823, pp. 562–591, 2017.

[9] Gojon, R. & Bogey, C., Numerical study of the flow and the near acoustic fields of an underexpanded round free jet generating two screech tones, International Journal of Aeroacoustics, Vol. 16, No 7-8, pp. 603-625, 2017.

 

Profil

Spécialité du Master (Mentions) : Mécanique, Acoustique, Aéronautique et Espace

Etudiant titulaire d'un msater ou équivalent (diplôme d'ingénieur).

Plus précisément : l'étudiant devra à la fois avoir de bonnes connaisances en mécanique des fluides instationnaire compressible et en programmation informatique (C++, Python, utilisation de super-calculateurs). Des connaissances en acoustique et/ou en aéroacoustique seraient appréciées.

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : Département Aérodynamique, Energétique et Propulsion - DAEP
Directeur(rice) de thèse/recherche : JACOB Marc
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : marc.jacob@isae.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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