Soutenance de thèse de Thomas ASTOUL

La prédiction de bruit de train d'atterrissage est un enjeu majeur pour un constructeur aéronautique, puisqu'il contribue à environ 40% du bruit total de l'aéronef lors des phases d'approche. Les essais en vol et ceux réalisés en souffleries anéchoïques ont permis de comprendre les mécanismes de génération du bruit, ainsi que de développer des dispositifs permettant de le réduire. Cependant, ces méthodes sont très longues et coûteuses à mettre en oeuvre. Les méthodes de simulation numériques (CFD) émergent ainsi comme un complément essentiel à ces approches expérimentales. L'écoulement autour des trains d'atterrissage est complexe et fortement instationnaire, et le bruit généré est de nature large bande. De part ces caractéristiques, il est nécessaire de se tourner vers des méthodes instationnaires de modélisation de la turbulence, comme la simulation aux grandes échelles (LES), pour prédire ces sources acoustiques. La méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) est une méthode numérique qui a récemment montré un fort potentiel pour ce type d'applications, grâce à sa précision, son faible temps de restitution et sa capacité à gérer des géométries complexes, et de ce fait, est adoptée pour cette thèse. Les simulations aéroacoustiques nécessitent une grande précision puisque les fluctuations acoustiques, qui sont de plusieurs ordres de grandeur inférieures aux fluctuations aérodynamiques, doivent être correctement capturées et propagées. Néanmoins, les raccords de maillages non conformes utilisés en LBM ont l'inconvénient de générer de la vorticité et de l'acoustique parasites se propageant au coeur du fluide, au risque d'affecter les prédictions de bruit. L'objectif de cette thèse est de développer de nouveaux modèles de transition de maillage dans le code LBM "LaBS/proLB", et de les valider sur des cas d'application d'aéroacoustique de train d'atterrissage. Deux axes principaux sont étudiés pour remédier à ces phénomènes : 1/ Une étude du schéma numérique au coeur du fluide est effectuée, mettant en exergue la responsabilité des modes non-hydrodynamiques, spécifiques à la LBM, dans la génération de vorticité et d'une portion de l'acoustique parasite émise aux raccords de maillages. Après une étude approfondie de l'implication de ces modes, un modèle de collision approprié (H-RR) est selectionné pour filtrer ces derniers lors d'une simulation. La stabilité et la précision de ce modèle ainsi que d'autres schémas LBM dans des conditions typiques de simulations aéroacoustiques sont également investiguées. Cette étude met en évidence des problèmes de stabilité, ainsi qu'une précision discutable de nombreux schémas LBM avancés disponibles dans la littérature. 2/ Un algorithme de couplage direct entre deux grilles de résolution différentes est proposé. Cet algorithme permet de grandement améliorer la précision des raccords non-conformes et, de ce fait, de réduire l'émission acoustique parasite produite par la traversée de ces interfaces par des tourbillons composant les sillages. Enfin, le train d'atterrissage LAGOON permet de valider ces ingrédients numériques. Une étude aérodynamique puis aéroacoustique via un couplage avec un code de propagation acoustique basé sur l'analogie de Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H) sont menées. Les limites de cette analogie dans sa formulation solide, généralement utilisée pour prédire le bruit de train d'atterrissage, sont soulignées. Enfin, l'effet de composants additionnels de complexité croissante sur le bruit généré est étudié.

Predicting landing gear noise is a major concern for an aircraft manufacturer, since it contributes to about 40% of the total aircraft noise during the approach phases. Flight tests and those carried out in anechoic wind tunnels have enabled the understanding of noise generation mechanisms, as well as the design of low noise devices. However, these methods are time consuming and costly to set up. The use of computational fluid dynamics (CFD) is thus emerging as an essential complement to these experimental approaches. The flow around landing gears is complex and highly unsteady, and the noise generated is broadband by nature. Given these characteristics, it is therefore necessary to use unsteady methods with high-fidelity turbulence modeling such as Large Eddy Simulation (LES), to predict these acoustic sources. The lattice Boltzmann method (LBM) is a numerical approach that has recently shown a strong potential for this type of application, thanks to its accuracy, its low restitution time and its ability to handle complex geometries. It is consequently adopted for this thesis. Aeroacoustic simulations require a high level of accuracy since acoustic fluctuations, which are several orders of magnitude smaller than aerodynamic ones, must be properly captured and propagated. Nevertheless, the non-conforming grid interfaces used in LBM have the inconvenience of generating spurious vorticity and acoustics that propagate in the fluid core, which may affect the noise predictions. The PhD objective is to develop new grid coupling models in the "LaBS/ProLB" LBM solver, and to validate them in the context of landing gears aeroacoustics. Two main directions are addressed to overcome these phenomena: 1/ A study of the numerical scheme in the fluid core is performed, highlighting the involvement of non-hydrodynamic modes, specific to the LBM, in the generation of vorticity and of a portion of the spurious acoustics generated at mesh interfaces. After a thorough study of the implication of these modes, an appropriate collision model (H-RR) is chosen to filter them out during a simulation. The stability and accuracy of several LBM schemes including the H-RR one under typical aeroacoustic simulation conditions are also investigated. This study highlights stability issues, as well as questionable precision of many advanced LBM schemes available in the literature. 2/ A direct coupling algorithm between two grids of different resolution is proposed. This algorithm allows to greatly improve the accuracy of the non-conforming grid interfaces, and hence to reduce the spurious acoustic emission produced by the crossing of vortices composing the wakes. Finally, the LAGOON landing gear allows for the validation of these numerical ingredients. An aerodynamic study and then an aeroacoustic one via a coupling with an acoustic propagation code based on the Ffowcs Williams and Hawkings analogy (FW-H) are conducted. The limitations of this analogy in its solid formulation, mostly used to predict landing gear noise, are exposed. Lastly, the effect of extra components of increasing complexity on the noise generated is investigated.