Les chercheurs de la KAUST utilisent des simulations pour mieux comprendre comment les véhicules aériens génèrent du bruit dans le but de le réduire. Crédit :KAUST
La simulation efficace du bruit généré par les ailes et les hélices promet d'accélérer le développement d'avions et de turbines plus silencieux.
Une nouvelle approche de simulation a permis une première mise en pratique, et très précis, calcul des caractéristiques sonores de conceptions complexes de profils aérodynamiques tridimensionnels dans des conditions de fonctionnement extrêmes. En raccourcissant les simulations qui auraient mis des mois ou des semaines à se dérouler à quelques jours ou heures, la nouvelle approche pourrait accélérer le développement de conceptions de profils aérodynamiques plus silencieux pour permettre la prochaine génération d'avions et de véhicules aéroportés urbains.
« Le bruit des avions est déjà un problème pour de nombreuses communautés situées à proximité des grands aéroports, et cela ne fera qu'empirer avec l'utilisation accrue des drones et, à l'avenir, taxis aériens et véhicules aériens privés, " dit Radouan Boukharfane, un post-doctorat à la KAUST.
Profils aérodynamiques—ailes, les hélices et les aubes de turbine - sont généralement conçues et affinées à l'aide de techniques mathématiques appliquées relativement rapidement. Cependant, les caractéristiques telles que la génération de bruit sont plus complexes. Ceux-ci nécessitent généralement des tests utilisant des modèles expérimentaux car les simulations numériques directes capables de résoudre de telles caractéristiques sont si intensives en calcul que, même sur les ordinateurs les plus rapides d'aujourd'hui, ils prendraient des mois à terminer.
"Dans des problèmes d'ingénierie réalistes en aéroacoustique, les interactions entre le flux d'air turbulent et la surface sont importantes, " explique Boukharfane. " L'un de nos principaux défis était de savoir comment modéliser les flux d'air compressibles à travers la surface sous haute turbulence avec une précision suffisante pour prédire la séparation du flux d'air sur une surface légèrement incurvée et son rattachement près du bord de fuite. "
Plutôt que de simuler directement l'ensemble du champ d'écoulement à haute résolution, Boukharfane, avec ses collègues Matteo Parsani, et Julien Bodart, a appliqué une simulation de grands tourbillons modélisée par une paroi (WMLES) pour modéliser les écoulements près de la surface à haute résolution tout en réduisant l'intensité de calcul globale en modélisant uniquement les structures d'écoulement plus grandes plus éloignées du profil aérodynamique.
"L'approche WMLES utilisée dans ce travail nous permet de reproduire bon nombre des principales caractéristiques qualitatives du flux d'air observées dans les expériences, ainsi que des caractéristiques liées au bruit telles que les spectres de pression de paroi. Surtout, nous avons également montré que la méthode est valable pour des écoulements à grande vitesse et très turbulents, " dit Boukharfane.
Les chercheurs modélisent des flux d'air compressibles sur des surfaces soumises à de fortes turbulences pour révéler les ondes de pression que nous entendons sous forme de son. Crédit :KAUST
L'algorithme décrit dans l'article est le dernier d'une suite d'outils développés par le Laboratoire d'algorithmes avancés et de simulations numériques, et s'appuie sur une collaboration avec l'Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace en France dans le cadre de l'entreprise commune Clean Sky de l'Union européenne. Certains de ces outils sont actuellement utilisés et testés par la NASA, Airbus et le National Institute of Aerospace en Virginie.
"Notre équipe est particulièrement bien placée au carrefour de l'analyse numérique, la physique, et le calcul haute performance pour développer des algorithmes nouveaux et efficaces qui prennent mieux en compte les phénomènes physiques et utilisent efficacement les architectures informatiques modernes, " dit Parsani.
