Calculs couplés fluide-structure - Réponse vibratoire d’une structure à une excitation turbulente : Dossier complet | Techniques de l’Ingénieur

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Calculs couplés fluide-structure - Méthodes en vibroacoustique de structures immergées

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

Auteur(s) : Jean-François SIGRIST

Date de publication : 10 janv. 2019

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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)

Jean-François SIGRIST : Ingénieur - Expertise & communication scientifiques (eye-PI) – Tours – France

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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MOTS-CLÉS

vibroacoustique | excitation turbulente | spectre de turbulence | simulation numérique

KEYWORDS

structural acoustic | turbulent excitation | turbulence spectrum | numerical simulation

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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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