La simulation du bruit du train d'atterrissage passe par la CFD*

*CFD : Computational Fluid Dynamics
ou Simulation numérique des écoulements

Le bruit externe d'un avion civil en phase d'approche est essentiellement aérodynamique et provient en grande partie du frottement de l'air sur la structure des trains d'atterrissage.
La simulation numérique commence à s'attaquer sérieusement au problème.

Le bruit aérodynamique généré par les systèmes hypersustentateurs¹ et les trains d’atterrissages constitue la source prépondérante du bruit externe des avions civils gros-porteurs en phase d’approche. La prévision numérique de ce bruit représente donc un enjeu critique pour les constructeurs.

Ce bruit résulte des interactions multiples entre les écoulements turbulents et les différents éléments constitutifs de la cellule. Sa prévision nécessite en premier lieu le calcul précis des écoulements, et plus particulièrement de leurs composantes instationnaires ou fluctuantes qui constituent les sources de bruit.

Les simulations aéroacoustiques sont donc basées sur des calculs d'écoulement (CFD), le plus souvent basées sur la méthode de simulation des grandes échelles ou LES² (Large Eddy Simulation), ainsi que ses variantes hybrides RANS³/LES, telles que la ZDES⁴ (Zonal Detached Eddy Simulation).

En ce qui concerne les trains d’atterrissage, la complexité des géométries tridimensionnelles a longtemps freiné l’application de ces méthodes à des configurations réalistes en raison de la difficulté à générer les maillages nécessaires, en particulier les maillages structurés multi-domaines, seuls compatibles avec le logiciel elsA.

Le programme Lagoon - CFD en structuré avec elsA

Visualisation des structures turbulentes et des ondes acoustiques autour du train d’atterrissage Lagoon [calcul avec elsA 3.3]

Dans le but d’évaluer les techniques existantes de simulation du bruit de train d’atterrissage, Airbus a lancé en 2006 le programme Lagoon, associant l’Onera, le DLR et l’Université de Southampton, destiné à comparer ces méthodes sur la base d’une géométrie de train d’atterrissage très simplifiée, mais représentative des mécanismes présents sur un vrai train d’atterrissage.

Pour valider ces méthodes, une base de données expérimentales a été réalisée dans le projet par l’Onera dans ses souffleries F2 et Cepra19. Par ailleurs, l’Onera a conduit avec succès une simulation par ZDES avec le logiciel de simulation elsA, basé sur un maillage structuré⁵ multi-blocs d’environ 34 millions de points.

Ce calcul instationnaire a été prolongé par un calcul de rayonnement de bruit par une méthode intégrale (code Kim). La comparaison avec les résultats expérimentaux aérodynamiques et aéroacoustiques est très satisfaisante.

Fluctuations de pression dans un plan median montrant à la fois la convection du sillage et la génération des ondes acoustiques

Avec la Nasa, CFD en non-structuré avec Cedre

Allure de l’écoulement turbulent sur fond de maillage non-structuré [Calcul Cedre]

Les maillages de type non-structurés⁶, compatibles avec le solveur de CFD Cedre, permettent de réduire considérablement les difficultés rencontrées dans la constructions des maillages structurés multi-blocs. En revanche, l’expérience de la mise en œuvre de la DES pour Cedre est moins éprouvée que pour elsA (Cedre utilise la méthode DDES - Delayed Detached Eddy Simulation).

Dans le cadre d’une coopération avec la Nasa, cette expérience a été étendue à des configurations de trains d’atterrissage proposées par la Nasa, pour lesquelles des données expérimentales aérodynamiques et acoustiques étaient également disponibles.

Après une première approche sur une géométrie académique constituée de deux cylindres parallèles, l’Onera a abordé une géométrie très réaliste de train avant d’avion d’affaire à l’échelle 1/4.

Un maillage de 12 millions de tétraèdres a été réalisé, avec lequel un calcul DDES a donné des résultats aérodynamiques en bon accord avec des mesures stationnaires et instationnaires de pression et vitesse enregistrées par la Nasa dans sa soufflerie BART. Une exploitation acoustique de ce calcul a ensuite été conduite avec le code Kim, et les résultats de bruit rayonné ont été comparées à des mesures effectuées pour la Nasa par l’université de Floride dans sa soufflerie acoustique, encore une fois avec un accord très prometteur.

Visualisation des structures tourbillonnaires à l'origine du bruit aérodynamique du train d'atterrissage

Lexique

• 1 Dispositifs hypersustentateurs
  Dispositifs dont la fonction est d'augmenter la portance (sustentation). Ce sont généralement des becs de bord d'attaque et des volets de bord de fuite.
• 2 LES - Large Eddy Simulation
  [pour Simulation des Grandes Echelles] Technique de résolution des équations des écoulements turbulents, où les grandes échelles de mouvement sont résolues explicitement, alors que les petites échelles (taille inférieure aux mailles de calcul) sont modélisées par un terme de "viscosité tourbillonnaire".
• 3 RANS - Equations "Reynolds-averaged Navier–Stokes"
  Ce sont les équations qui décrivent les écoulements turbulents , au prix d'hypothèses simplificatrices. En particulier, elles sont moyennées dans le temps et conviennent aux écoulement relativement stationnaires.
• 4 ZDES - Zonal Detached Eddy Simulation
  Méthode permettant de faire cohabiter dans une même simulation une modélisation de type RANS et une modélisation de type LES, localisée aux zones décollées. Cela signifie que le modèle plus performant (et plus couteux) n'est utilisé que là où il est vraiment nécessaire, ce qui autorise des temps de simulation acceptables. Cette méthode a été développée à l'Onera.
• 5 Maillage structuré
  Discrétisation de l'espace selon des mailles hexaédriques. Ces mailles sont désignées par leur indexation (i,j,k) dans un ensemble NixNjxNk (structure implicite). Méthode facilitant la rapidité et la précision des calculs. Plusieurs maillages (blocs) peuvent être juxtaposés pour décrire des géométries complexes.
• 6 Maillage non-structuré
  Discrétisation de l'espace selon des mailles de formes diverses (tétraèdre, pentaèdre, hexaèdre... et polyèdres quelconques [avec Cedre]). Ces mailles sont réparties selon une structure qui doit être explicitement décrite. Méthode adaptée à la discrétisation des formes complexes.

Remerciements

• Calculs elsA (Lagoon) : Saloua Ben Khelil, Christophe François pour le maillage, Sébastien Deck pour ses conseils en matière de ZDES (ingénieurs de recherche au département d'Aérodynamique appliquée [DAAP]), et Laurent Sanders pour les exploitations acoustiques (ingénieur de recherche au département de Simulation numérique des écoulements et aéroacoustique [DSNA])
• Jérôme Jacob, stagiaire de fin d'étude ENSMA, et François Vuillot pour les calculs Cedre et leur exploitation acoustique, Stéphane Redonnet pour les échanges avec la Nasa, Gilles Rahier pour l'utilisation avancée de Kim (ingénieurs de recherche au département de Simulation numérique des écoulements et aéroacoustique [DSNA])
• Eric Manoha, ingénieur de recherche - texte et exploitation acoustique des résultats aérodynamiques [DSNA]