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Le mystère du bruit des moteurs embarqués dévoilé – De nouvelles recherches ouvrent la voie à des cieux silencieux

SciTechDaily

Banc d'essai de ventilateur canalisé à ingestion de couche limite (BLI) à l'intérieur de l'installation de soufflerie aéroacoustique de l'Université de Bristol. Crédit : Feroz Ahmed

Des chercheurs de l’Université de Bristol ont percé le mystère du bruit produit par des avions futuristes équipés de moteurs intégrés conçus pour économiser l’énergie.

L'étude, publiée dans le Journal de mécanique des fluides, révèle pour la première fois comment le bruit est généré et propagé par ces moteurs, techniquement connus sous le nom de ventilateurs canalisés à absorption de couche limite (BLI). Les ventilateurs canalisés BLI sont similaires aux gros moteurs que l'on trouve dans les avions modernes, mais sont partiellement intégrés dans le corps principal de l'avion plutôt que sous les ailes. Comme ils ingèrent de l'air à la fois depuis l'avant et depuis la surface de la cellule, ils n'ont pas à travailler aussi dur pour déplacer l'avion, ce qui permet de consommer moins de carburant.

Illustration de sources de bruit complexes dans un moteur intégré ou un ventilateur canalisé à absorption de couche limite

Illustration de sources de bruit complexes dans un moteur intégré ou un ventilateur canalisé à absorption de couche limite (BLI). Crédit : Feroz Ahmed

La recherche, dirigée par Feroz Ahmed de l'École d'ingénierie civile, aérospatiale et de conception de Bristol sous la supervision du professeur Mahdi Azarpeyvand, a utilisé l'installation de soufflerie aéroacoustique nationale de l'Université. Ils ont pu identifier des sources de bruit distinctes provenant du conduit, du ventilateur rotatif et de l'air circulant sur la surface incurvée de la cellule.

Ils ont constaté que le modèle de bruit change en fonction de la poussée produite par le ventilateur. Lorsque le ventilateur produit une poussée élevée, ils ont observé un modèle de bruit similaire à celui observé dans les ventilateurs sans conduits. Mais lorsque le ventilateur produit moins de poussée, le modèle sonore change car le conduit lui-même commence à faire plus de bruit.

Bruit dans l'aviation

Le Dr Ahmed a déclaré : « Notre étude aborde cette question urgente du bruit, qui constitue un obstacle majeur à l'obtention des certifications, en révélant la physique derrière le bruit produit par ces configurations. En comprenant les mécanismes de bruit dans les ventilateurs canalisés BLI, on espère que des lignes directrices industrielles pourront être développées pour des systèmes de propulsion intégrés à la cellule plus silencieux dans les futurs concepts d'avions, des avions conventionnels à grande échelle aux décollages et atterrissages verticaux électriques à petite échelle, connus comme eVTOL, avion.

Des projets tels que le Bell X-22A, l'Embraer X, l'Airbus E-fan, le Lilium Jet, le Green Jet et l'Hybrid Air Vehicle ouvrent la voie au développement de ces systèmes pour les avions de nouvelle génération. Ils deviennent de plus en plus populaires en raison des progrès des moteurs électriques puissants.

Le Dr Ahmed a déclaré : « Mais il y a un problème avec les ventilateurs canalisés intégrés : leur niveau de bruit ou de silence reste un mystère, en particulier lorsqu'ils ingèrent un flux d'air provenant de la surface incurvée de la cellule.

Ventilateur électrique canalisé monté à côté de la surface incurvée

Ventilateur électrique canalisé monté à côté de la surface incurvée. Crédit : Feroz Ahmed

« Les recherches précédentes sur les configurations BLI se sont principalement concentrées sur les ventilateurs sans conduits, où la couche limite se forme sur les surfaces planes de la cellule. Cependant, il existe un manque de connaissances en ce qui concerne les ventilateurs canalisés ingérant de l'air autour des surfaces courbes de la cellule, comme le montrent des projets comme ONERA NOVA, NASA/MIT Aurora D8 et Airbus Nautilus.

« Ainsi, dans cette étude, nous avons examiné de près les différents facteurs qui contribuent au bruit produit par les ventilateurs canalisés intégrés installés sur les surfaces courbes de la cellule. »

Les chercheurs ont conçu un banc d'essai BLI doté d'un ventilateur électrique canalisé monté à côté d'un mur incurvé, reproduisant la configuration des moteurs embarqués vue dans des conceptions telles que le concept d'avion ONERA NOVA. Ils ont collecté différents types de données sur la plate-forme, notamment des mesures de la poussée du ventilateur et de la quantité de bruit généré. En disséquant la complexité des mécanismes d'interaction du bruit entre diverses sources, ce cadre a permis de découvrir la physique sous-jacente à l'origine du bruit et à la façon dont il changeait lorsque le ventilateur fonctionnait à différents niveaux de poussée.

Conclusion et impact potentiel

Le Dr Ahmed a conclu : « Avec la demande croissante d'une expérience de vol agréable avec un impact environnemental minimal, il existe un besoin pour des avions plus silencieux. Cette recherche a des applications potentielles dans l’élaboration de stratégies visant à réduire les émissions sonores dans le secteur de l’aviation.

« De plus, notre enquête approfondie sur la libération des contributions au bruit dans les ventilateurs canalisés BLI a le potentiel d’orienter d’importantes activités de recherche au sein de la communauté de la mécanique des fluides. Ceci, à son tour, pourrait favoriser une compréhension plus approfondie et une exploration plus approfondie des phénomènes aéroacoustiques dans les ventilateurs canalisés exposés à un large spectre d’écoulements turbulents entrants.

« Notre étude met en lumière la façon dont le bruit est généré par les ventilateurs canalisés futuristes intégrés montés sur les surfaces incurvées de la cellule, révélant que les modèles de bruit varient en fonction des niveaux de poussée du ventilateur, offrant ainsi des informations cruciales pour une conception d'avions de nouvelle génération plus silencieuse. »

Cette recherche, parrainée par le programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne dans le cadre de la convention de subvention du projet ENODISE (Enabling optimized disruptive airframe-propulsion Integration Concepts) numéro 860103, a été menée en collaboration avec l'ONERA – le laboratoire aérospatial français, et plusieurs autres partenaires.

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