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Journal Articles Journal of Sound and Vibration Year : 2020

Entropy noise modelling in 2D choked nozzle flows

Modélisation du bruit entropique dans les écoulements de tuyère 2D amorcés

Abstract

Entropy noise is produced when temperature fluctuations (entropy spots) are accelerated by the mean flow, through a nozzle or a turbine stage for instance. When it propagates outside the engine it contributes to community noise and may generate thermoacoustic instabilities when reflected back towards the com-bustor, hence the need for its modelling. Among all the inviscid models proposed in the literature, only the one developed by ONERA takes into account the 2D nature of the mean flow and the radial deformation of the entropy waves through the nozzle, which plays a crucial role in noise generation (Emmanuelli et al., J. Sound Vib., vol. 472, 2020, pp. 115163). This model has been validated in the subsonic regime and is extended in the present work to 2D supercritical configurations , without and with a normal shock in the diffuser. Modelled transfer functions are validated by comparison with reference data obtained with computational aeroacoustics simulations and excellent agreement is found between the simulations and the model. The contribution of the shear dispersion of the entropy wave to noise generation is evidenced and the failure of the quasi-1D models, which do not account for the radial deformation of the entropy fluctuations , is illustrated. Noise scattering through the nozzle is also investigated. The 2D model is found to correctly recover the simulated transmitted and reflected acoustic waves through the nozzle. Quasi-1D solutions are also found to collapse with the reference simulations, which indicates that 2D mean flow effects are Figure 1: General sketch of a nozzle with all incoming and outgoing waves. negligible for the propagation of the acoustic waves through the nozzle.
Le bruit entropique est généré quand des fluctuations de températures (spots d’entropie) sont accélérées par l’écoulement moyen, par exemple à travers une tuyère ou un étage de turbine. Quand ce bruit se propage à l’extérieur du moteur il contribue au bruit total émis par l’aéronef, tandis qu’il peut provoquer des instabilités de combustion quand il est réfléchi vers la chambre de combustion, d’où le besoin de le modéliser. Parmi tous les modèles disponibles dans la littérature, seul celui développé par l’ONERA prend en compte la nature bidimensionnelle de l’écoulement moyen et la déformation radiale des ondes entropiques à travers la tuyère, dont l’importance dans l’évaluation quantitative précise du bruit entropique a été démontrée (Emmanuelli et al., «Description and application of a 2D-axisymmetric model for entropy noise in nozzle flows », à paraître dans le Journal of Sound and Vibration). Ce modèle a été validé pour les écoulements subsoniques et est étendu dans l’étude présente aux écoulements de tuyères amorcés, sans et avec un choc droit dans le diffuseur. Le modèle est validé par comparaison des fonctions de transfert obtenues avec des simulations numériques CAA de référence. L’accord calcul/modèle observé est excellent. L’effet de la dispersion radiale de l’onde entropique sur le bruit généré est mis en évidence et le défaut des modèles quasi-1D sur cet aspect est illustré. La transmission et la réflexion des ondes acoustiques à travers la tuyère est également étudiée. Les résultats sont très bons pour le modèle quasi-1D et le modèle 2D, les effets bidimensionnels de l’écoulement moyen sur la propagation des ondes acoustiques à travers la tuyère sont donc négligeables.
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hal-02966578 , version 1 (14-10-2020)

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Cite

Maxime Huet, Ariane Emmanuelli, Thomas Le Garrec. Entropy noise modelling in 2D choked nozzle flows. Journal of Sound and Vibration, 2020, 488, pp.115637. ⟨10.1016/j.jsv.2020.115637⟩. ⟨hal-02966578⟩
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