Aéroacoustique numérique : modélisation et simulation des sources sonores et de leur rayonnement

La mécanique des fluides numérique (ou CFD pour Computational Fluid Dynamics), intégrant les équations d'Euler ou de Navier-Stokes, s'est imposée au cours des dernières décennies grâce à l'accroissement de la puissance des ordinateurs. L'acoustique est une petite perturbation du champ aérodynamique moyen et est donc incluse dans la CFD mais l'aéroacoustique numérique (ou CAA pour Computational AeroAcoustics) est vite apparue comme une discipline à part entière en raison de ses spécificités : le calcul comprend dans la plupart des cas une chaîne de logiciels CFD et CAA, la CFD fournissant les données relatives aux sources sonores pour la CAA. De telles méthodes sont souvent appelées « hybrides ». L'objectif du présent document est de dégager les multiples pistes disponibles et d'orienter l'ingénieur dans ses choix, tout en indiquant certaines précautions à prendre.

La CAA repose sur l'équation de Lighthill, conduisant à la forme intégrale de Ffowcs Williams et Hawkings. L'exposé commence par ces fondements théoriques, ainsi que par l'application au bruit de jet, pour lequel ils furent établis. La CAA a recours à de nombreuses autres approches, qui sont abordées dans les paragraphes suivants.

• Pour la propagation dans un fluide en écoulement non uniforme, il est nécessaire d'intégrer les équations d'Euler soit linéarisées, soit écrites sur les perturbations (celles-ci issues de la CFD) dans le domaine où la propagation acoustique est non linéaire.

• Plus simplement, des logiciels du commerce efficaces résolvent l'équation de Helmholtz par la méthode des éléments de frontière ; le fluide moyen doit alors être au repos (ou en mouvement uniforme), ce qui limite leur pertinence s'il existe un écoulement rapide hétérogène. En revanche, l'algorithme est en général écrit dans le domaine fréquentiel, ce qui permet d'introduire facilement les conditions aux limites (impédance acoustique) sur les parois.

• Enfin, si la CFD conserve les fluctuations acoustiques jusqu'à une surface fermée contenant toutes les sources sonores et où le fluide est en écoulement uniforme, l'intégrale de Kirchhoff sur cette surface fournit directement le champ acoustique en tout point extérieur à cette surface. Cela procure un gain appréciable sur l'intégration dans le volume des sources. L'équation de Ffowcs Williams et Hawkings avec surface dite « poreuse » améliore cette technique dans certains cas.

La sélection de la méthode hybride dépend de plusieurs facteurs, tels que la configuration étudiée ou le type de la CFD en amont. Le temps de calcul joue aussi un rôle capital selon l'objectif visé : les exigences sont différentes dans le domaine de la recherche, en exploitation industrielle ou pour une optimisation aéroacoustique.