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1 - CONTEXTE

2 - MODÈLES EMPIRIQUES DE SPECTRES D’EXCITATION

3 - MÉTHODE NUMÉRIQUE POUR LE CALCUL D’UN SPECTRE

4 - CALCUL DES VIBRATIONS DE LA STRUCTURE

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE DES SIGLES

7 - SYMBOLES

Article de référence | Réf : BM5204 v1

Conclusion
Calculs couplés fluide-structure - Réponse vibratoire d’une structure à une excitation turbulente

Auteur(s) : Jean-François SIGRIST

Relu et validé le 10 mars 2021

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RÉSUMÉ

Caractériser les vibrations d’un système mécanique sous écoulement turbulent intéresse divers secteurs de construction (aéronautique, automobile, énergie ou naval) en raison d’exigences de sûreté, de durée de vie ou de bruit. Cet article est à destination d’élèves ingénieurs en génie mécanique et d’ingénieurs en calcul scientifique et simulation numérique. Il présente une introduction aux méthodes de calcul vibro-acoustiques pour la réponse vibratoire de structures soumises à une excitation de couche limite turbulente. Il propose une méthode de calcul de spectre d’excitation, alternative à l’utilisation de modèles empiriques, fondée sur l’exploitation de simulations numériques.

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ABSTRACT

Vibro-acoustic calculations - Structural vibro-acoustic response to turbulent flow excitation

Vibrations of a mechanical system coupled with a turbulent flow are of practical interest in various industrial applications, ranging from aeronautics, automotive industry, energy production or sphipbuilding. Safety and lifte time assessment, as well as noise reduction, are typically concerned by turbulence-induced vibrations. The present paper aims at providing students and practicing engineers with the fundamentals notions and numerical techniques available to evaluate the structural response to turbulence excitations. A numerical method based on CFD simulations to evaluated turbulence spectrum is detailed; it may be used as an alternative to analytical models.

Auteur(s)

INTRODUCTION

Un fluide turbulent peut engendrer des vibrations importantes des structures autour desquelles ils s’écoulent. Carène de navire, aile d’avion, tubes d’échangeur de chaleur, câbles sous-marins, etc. ; de nombreux systèmes industriels sont concernés. Les vibrations induites par les écoulements turbulents peuvent atteindre des niveaux inacceptables, en termes de bruit ou d’usure par exemple. Estimer les niveaux vibratoires de structures excitées par un écoulement contribue à limiter l’impact acoustique ou à augmenter la durée de vie des systèmes précités.

Cet article propose une introduction au calcul vibro-acoustique pour la réponse vibratoire d’une structure soumise à une excitation de couche limite turbulente. Il s’adresse principalement à des étudiants en génie mécanique et plus généralement à des ingénieurs en calcul scientifique et à des concepteurs d’installations concernées par cette problématique.

Après avoir rappelé des éléments de contexte (vibrations induites par les écoulements, description de la couche limite turbulente, spectres d’auto-corrélation et d’inter-corrélation), le document propose une analyse des différentes représentations du chargement en pression, en discutant leurs hypothèses et leurs limites, et les différents moyens de les obtenir (empiriquement ou numériquement). Il présente ensuite une méthode numérique permettant de calculer un spectre de pression pariétal dans des configurations plus générales que celles qui prévalent pour les modèles analytiques. Il expose enfin une méthode de calcul de la réponse vibratoire d’une structure déformable, en détaillant une démarche pas-à-pas.

Le propos est complémentaire de nombreux exposés relatifs à l’aéro-acoustique ou à l’hydro-acoustique, et à la simulation numérique en mécanique des fluides et des structures. Ces sujets font l’objet d’articles spécifiques accessibles dans les ressources documentaires de Techniques de l’Ingénieur. Le lecteur trouvera ces références dans la partie documentation de cet article. Une bibliographie supplémentaire et des liens vers des sites internet lui proposent des ressources utiles afin d’approfondir ses connaissances sur le sujet.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire des sigles importants, ainsi qu’un tableau des symboles utilisés.

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KEYWORDS

structural acoustic   |   turbulent excitation   |   turbulence spectrum   |   numerical simulation

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm5204


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5. Conclusion

Cet article a proposé une première approche de méthodes de calcul de la réponse vibratoire d’une structure immergée et excitée par un champ de pression fluctuant généré par une couche limite turbulente. Il permet une introduction aux problématiques de calcul en mettant en évidence les principaux outils conceptuels à disposition des ingénieurs :

  • s’agissant de la caractérisation de l’excitation, disposer d’un champ fluctuant dans le temps et dans l’espace nécessite des données issues de mesures ou de calculs d’écoulement. Si les outils de calcul en mécanique des fluides sont de nos jours de plus en plus répandus dans l’industrie, la caractérisation directe de l’excitation par calcul reste encore réservée à des cas particuliers. Les calculs ou mesures de couche limite turbulente dans des configurations simples permettent de caractériser l’excitation au moyen de spectres en espace-fréquence ou en nombre d’onde-fréquence, issus de modèles empiriques. Une méthode de calcul de spectre fondé sur l’exploitation de calculs RANS est détaillée dans le dossier ; elle constitue une alternative intéressante aux modèles empiriques et permet de traiter un plus grand nombre de configurations ;

  • s’agissant de la réponse en fréquence, les formulations théoriques de deux méthodes de calcul ont été rappelées (méthode spatiale et méthode en onde plane). Toutes deux se fondent sur une discrétisation de la surface en contact avec le fluide. Elles permettent de rendre compte des fluctuations en espace et en temps du chargement. Elles utilisent les fonctions de réponse impulsionnelle ou les fonctions de transfert de la structure excitée ; ces dernières peuvent être calculées numériquement par une méthode appropriée à la gamme de fréquence concernée.

Des applications sont présentées dans le cas de plaques planes : documentées dans la littérature scientifique, elles peuvent servir de première marche à une démarche de calcul industrielle.

Remerciements

L’auteur remercie Adrien Clément, Marion Courtiade (Berton) et Myriam Slama dont les recherches et travaux de doctorat ont largement inspiré cet article et contribué à sa rédaction.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - AXISA (F.) -   Modélisation des systèmes mécaniques.  -  Vol. 3 : interactions fluide/structure Hemès (2001).

  • (2) - BERTON (M.) -   Modélisation de la réponse vibro-acoustique d’une structure excite par une couche limite turbulente en presence de gradient de pression statique.  -  Thèse de Doctorat, École Centrale de Lyon (2014).

  • (3) - CLEMENT (A.) -   Étude hydroacoustique de la réponse d’une structure à une excitation de couche limite turbulente.  -  Thèse de Doctorat, École Nationale Supérieure des Arts et Métiers (2015).

  • (4) - DAVID (A.) -   Étude des vibrations des réseaux de transport de gaz dans l'industrie de l'aluminium.  -  Thèse de Doctorat, Université Technologique de Compiègne (2016).

  • (5) - GROSSET (O.) -   Identification de la pression pariétale turbulente par problème inverse vibratoire dans les domaines aéronautique et naval.  -  Thèse de Doctorat,...

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