En matière d’émissions sonores des avions, le tout est plus que la somme des parties
En un peu plus d’un siècle, le monde est passé de la conception du premier avion à moteur à plus de 400 départs par heure dans le monde pour des vols transportant plus de 10 millions de passagers par jour et des millions de tonnes de fret. Outre le nombre considérable de vols, les avions sont devenus plus grands et plus puissants. C’est pourquoi le bruit des moteurs d’aéronefs, en particulier au décollage lorsque les avions sont à pleine poussée et volent à basse altitude, est devenu un problème environnemental et politique important: les compagnies aériennes doivent désormais payer des redevances d’atterrissage et de décollage basées sur la pollution sonore des avions. Il est urgent de mettre au point des techniques et des technologies innovantes de suppression du bruit. Il n’est pas possible d’atteindre les objectifs de réduction du bruit pour des aéronefs plus silencieux et plus écologiques en modélisant séparément le moteur/la tuyère et la cellule, toutefois les recherches sur les interactions cellule-moteur sont encore limitées. Le projet DJINN, financé par l’UE, a permis de combler ce manque de connaissances grâce à des méthodes informatiques et à de nouveaux dispositifs expérimentaux à petite échelle.
Combiner aérodynamique et aéroacoustique pour comprendre les interactions réacteur-aile
Les émissions sonores des avions ont augmenté et, parallèlement, l’urbanisation fait que de plus en plus de personnes vivent aujourd’hui à proximité des aéroports. Cette situation est rendue plus complexe encore avec les nouveaux moteurs à haut rendement conçus pour réduire la consommation de carburant et les émissions de gaz à effet de serre. En effet, le réacteur étant monté plus près de l’aile, l’interaction entre l’aile de l’avion et l’échappement rend ces engins plus bruyants. «Les outils avancés de simulation de dynamique des fluides computationnelle (computational fluid dynamics, CFD) de DJINN, spécifiques à l’aérodynamique et à l’aéroacoustique couplées, se sont concentrés sur les interactions réacteur-aile. Nous avons mené une campagne théorique et expérimentale pour mieux comprendre les processus physiques sous-jacents et concevoir des géométries et des technologies améliorées de suppression du bruit», explique Werner Haase rattaché à CFD Software Development and Research et coordinateur du projet DJINN.
Un horizon prometteur en matière de réduction du bruit
Parmi les nombreux résultats, deux volets d’aile poreux constitués de moulages d’aluminium poreux ont été testés et il a été démontré qu’ils permettaient une réduction du bruit de près de sept décibels (large bande). Étant donné que les niveaux de bruit recommandés sont d’environ 40-45 décibels, une baisse de sept décibels aurait un impact important. Une amplification des turbulences est susceptible de se produire dans les zones d’interaction de la couche limite, comme la zone d’échappement du réacteur et de l’aile. «Un projet de recherche ambitieux, à haut risque et à haut gain, a été entrepris, à savoir le contrôle de la turbulence à large bande et du bruit d’interaction entre le réacteur et les volets. Les résultats ont montré qu’il est possible de contrôler les écoulements qui amplifient les turbulences à des nombres de Reynolds élevés», note Werner Haase. Enfin, l’objectif du projet de résoudre le bruit à haute fréquence a été atteint, ce qui a permis d’obtenir des nombres de Strouhal (une grandeur sans dimension utilisée en dynamique des fluides pour caractériser les écoulements oscillatoires) de l’ordre de 10. Cela ouvre la voie à l’utilisation des méthodes avancées de simulation du bruit dans l’industrie, malgré la charge de calcul plus importante. Les scénarios d’essai génériques pour un réacteur isolé et un réacteur installé (réacteur plus aile principale), en accès libre, peuvent être téléchargés à partir du site web du projet DJINN.
Moins de bruit pour les citoyens, plus de compétitivité pour l’industrie européenne
La collaboration établit par DJINN entre différents partenaires de la recherche et de l’industrie, y compris des PME, a permis de mettre au point de nouvelles technologies de réduction du bruit. Ces mesures seront essentielles pour diminuer l’impact environnemental du secteur aérospatial et pour améliorer la qualité de vie des personnes vivant à proximité des aéroports. En outre, les technologies et les outils de simulation numérique améliorés qui prennent en compte les interactions critiques augmenteront le potentiel d’innovation de l’Europe dans le domaine de l’aéronautique, renforçant ainsi sa position concurrentielle.
Mots‑clés
DJINN, bruit, avions, CFD, réduction du bruit, turbulence, aéroacoustique, aérodynamique, aérospatiale, interactions réacteur-aile, émissions sonores
