Dans de nombreuses applications industrielles, en particulier dans le domaine des transports, la propagation acoustique se fait à travers un écoulement non uniforme. A titre d'exemples, on peut citer les cas des turboréacteurs d'avions ou des systèmes d'échappement d'automobiles. La plupart des modèles proposés dans la littérature sont basés sur une formulation écrite en potentiel, pour laquelle l'écoulement doit être irrotationnel, ce qui empêche par exemple de considérer les effets d'un écoulement cisaillé ou tournant. Les travaux exposés dans cette thèse visent à proposer une méthode de résolution numérique générale et performante, pour l'étude de la propagation acoustique en régime harmonique en présence d'un écoulement quelconque. Pour cela, l'étude théorique des équations linéarisées de la mécanique des fluides permet de motiver le choix original de l'équation de Galbrun, écrite en terme de la perturbation lagrangienne du déplacement, et dont la forme et les propriétés physiques se révèlent plus intéressantes que celles des équations d'Euler linéarisées. Cette équation est ensuite résolue par une méthode d'éléments finis mixtes en déplacement-pression, basés sur la condition inf-sup, ce qui permet de pallier le phénomène de blocage inhérent à toute formulation en déplacement. La méthode est validée par le biais de différents modèles semi-analytiques (équation de Pridmore-Brown généralisée à un écoulement tournant, méthode d'échelles multiples), qui permettent notamment de mettre en évidence les effets de couche limite ou d'écoulement tournant. La concordance des résultats pour des maillages en ?/8 (triangles à 3 noeuds) tend à prouver l'efficacité du modèle numérique. Enfin, les formulations théorique et variationnelle, ainsi que la méthode numérique associée, sont étendues au cas d'un fluide viscothermique. En particulier, les résultats obtenus sont validés par des modèles semi-analytiques de la propagation viscothermique au sein des tubes capillaires.

LES EQUATIONS GENERALES DE LA MECANIQUE DES FLUIDES SONT RAPPELEES AFIN D'ETABLIR LES EQUATIONS QUI GOUVERNENT LA PROPAGATION ACOUSTIQUE DANS LES MILIEUX NON ISOTHERMES EN MOUVEMENT. L'ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE DES TRAVAUX REALISES SUR LE SUJET NOUS CONDUIT A TRAITER LE PROBLEME DIRECTEMENT A PARTIR DES EQUATIONS DE L'ACOUSTIQUE LINEAIRE. LES CHAMPS MOYENS DE VITESSE ET DE TEMPERATURE, QUI SONT DES PARAMETRES DU PROBLEME ACOUSTIQUE, SONT ENSUITE DECRITS PAR DES PROFILS ANALYTIQUES SIMPLES OU DETERMINES NUMERIQUEMENT A L'AIDE D'UN LOGICIEL DE MECANIQUE DES FLUIDES. LA MODELISATION DU COMPORTEMENT DES ONDES ACOUSTIQUES DANS LES MILIEUX CONFINES EN PRESENCE D'ECOULEMENT NON ISOTHERME EST DEVELOPPEE EN UTILISANT LA METHODE DES ELEMENTS FINIS. ON PRESENTE LES PRINCIPALES ETAPES DE LA DISCRETISATION QUI PERMETTENT D'OBTENIR LA FORME MATRICIELLE DU PROBLEME. SUR CETTE BASE, UN CODE DE CALCUL A ETE DEVELOPPE A PARTIR DE LA FORMULATION VITESSE-PRESSION-MASSE VOLUMIQUE (UVPR) DES EQUATIONS PRIMITIVES DE L'ACOUSTIQUE. LA DETERMINATION DES MODES PROPRES D'UNE CAVITE SANS ECOULEMENT PERMET DE VALIDER LA METHODE. LES RESULTATS NUMERIQUES SONT COMPARES AVEC LA THEORIE POUR LE CAS ISOTHERME ET AVEC CEUX OBTENUS PAR LA RESOLUTION DE L'EQUATION DE HELMHOLTZ POUR LE CAS NON ISOTHERME. L'ETUDE DE MODES PROPRES DE CAVITES EN PRESENCE D'ECOULEMENT MONTRE ENSUITE LES MODIFICATIONS NOTABLES QUE SUBISSENT LES CHAMPS ACOUSTIQUES SOUS L'EFFET D'UNE COUCHE LIMITE LAMINAIRE OU TURBULENTE. LES PROPRIETES DE LA PROPAGATION DES ONDES HARMONIQUES SONT ETUDIEES DANS UN GUIDE D'ONDE UNIFORME ET DANS UN RESONATEUR A DEUX COLS. POUR CE DERNIER, LES CHAMPS MOYENS DE VITESSE ET DE TEMPERATURE PRESENTENT UNE COMPLEXITE PROCHE DES CONDITIONS REELLES. LES SPECTRES DE REPONSE EN AMPLITUDE ET LES COURBES DE PERTE PAR TRANSMISSION PERMETTENT D'EXAMINER LES CARACTERISTIQUES DU RESONATEUR EN FONCTION DES DIFFERENTS PARAMETRES MIS EN JEU

La propagation et la production de bruit dans les écoulements de fluides représentent un problème crucial pour de nombreuses applications industrielles en particulier les transports. Cette thèse a pour originalité d'utiliser un modèle peu employé, l'équation de Galbrun, pour modéliser la propagation acoustique dans les écoulements. Concernant les méthodes numériques, on présente une analyse de dispersion de plusieurs méthodes d'éléments finis pour la propagation aéroacoustique. D'autre part, plusieurs conditions de non-réflexion pour l'équation de Galbrun dans le domaine fréquentiel sont obtenues. On propose deux modèles de sources aéroacoustiques formulés à l'aide de l'équation de Galbrun. Le premier modèle est issu du modèle de source proposé pour les équations d'Euler linéarisées par Bailly et le second modèle est obtenu par la méthode des développements autour d'un écoulement incompressible initialement développée par Hardin et Pope

La propagation et l'absorption du bruit en présence d'un écoulement moyen représente un des problèmes majeurs en matière d'acoustique des transports. On peut citer à titre d'exemple les silencieux automobiles ou les traitements intérieurs des nacelles des réacteurs d'avions. En particulier nous nous sommes intéressés aux matériaux non localement réactifs dans le domaine fréquentiel. Le modèle de Biot qui permet la description de la phase fluide et de la phase solide a été retenu pour la description des matériaux poreux. Deux approches originales ont été développées. La première, basée sur une méthode modale, a permis d'observer les effets de la convection ainsi que l'influence du squelette du matériau poreux sur l'absorption en considérant simplement un écoulement uniforme. Cette méthode étend le mode matching aux problèmes vectoriels et a permis d'obtenir des résultats fiables et rapides sur des géométries canoniques. La seconde méthode, basée sur la méthode des éléments finis, a permis d'étudier en particulier l'effet de l'écoulement en modélisant la propagation dans les écoulements non potentiels grâce à l'équation de Galbrun, modèle équivalent aux équations d'Euler linéarisées. Les effets de réfraction dans la couche limite et leurs effets sur l'absorption ont pu être observés et quantifiés sur des géométries complexes.

On s’intéresse dans ce travail au problème de propagation acoustique dans des guides à parois traitées avec des matériaux absorbants à réaction localisée ou non localisée en présence d’écoulement. En effet, dans les systèmes industriels comme les turboréacteurs d’avions, les silencieux d’échappement et les systèmes de ventilation, le bruit est le plus souvent canalisé vers l’extérieur par des guides de géométries plus ou moins complexes. Une étude des guides d’ondes permet donc de prédire et de comprendre les phénomènes physiques tels que la réfraction, la convection, l’absorption et l’atténuation des ondes. Dans l’étude des guides d’ondes, on considère souvent qu’ils sont infiniment longs afin de s’affranchir de certains phénomènes (réflexion par exemple) à leurs extrémités. Résoudre le problème de propagation dans les guides infinis par la méthode des éléments finis nécessite de tronquer le domaine infini par des frontières artificielles sur lesquelles des conditions limites transparentes doivent être écrites. Dans ce travail, les conditions limites transparentes sont écrites sous forme d’un opérateur Dirichlet-to-Neumann (DtN) basé sur une décomposition de la pression acoustique sur la base des modes propres du guide étudié tout en prenant en compte l’influence des paramètres comme l’écoulement et le traitement acoustique avec des matériaux absorbants. La propagation acoustique dans le guide est régie par un modèle scalaire basé sur l’équation de Helmholtz et les matériaux absorbants utilisés sont des matériaux absorbants d’impédance locale Z et des matériaux poreux. Nous nous sommes intéressés en particulier aux matériaux poreux à squelette rigide que l’on modélise par un fluide équivalent car la propagation acoustique dans ces matériaux est aussi gouvernée par l’équation de Helmholtz comme dans un milieu fluide. Des résultats d’étude de la propagation acoustique dans des guides rectilignes uniformes traités en présence d’un écoulement uniforme ont permis de valider la méthode développée pour tronquer les domaines infinis. L’étude a aussi été menée avec succès pour des guides non uniformes traités en présence d’un écoulement potentiel.

Les travaux de cette thèse concernent la modélisation et la simulation numérique de la propagation d'ondes acoustiques en présence d'un écoulement. Le modèle retenu pour ces études est l'équation de Galbrun. Les travaux faits sur l'équation de Galbrun ont essentiellement porté sur le régime harmonique. En revanche, la plupart des études mathématiques et numériques du problème de l'aéroacoustique est en régime transitoire. C'est pourquoi, il est intéressant pour nous d'étudier l'équation de Galbrun en régime transitoire. Pour résoudre cette équation en régime transitoire, notre approche a reposé sur la transformée de Laplace, qui nous permet de faire l'échange entre le domaine harmonique et le domaine réel. Un autre sujet abordé dans cette thèse est celui du traitement des conditions aux limites non réfléchissantes en écoulement uniforme et non-uniforme. Nous proposons la méthode PML pour l'équation de Galbrun. Inspirée par la méthode de Hu, nous proposons un nouveau modèle PML associé à l'équation de Galbrun, qui a toujours conduit à une solution exponentiellement décroissante dans la couche, même en présence d'ondes inverses. Les simulations acoustiques montrent étonnamment d'erreur de convergence pour les deux modèles classiques et nouveaux. Nous validons notre modèle PML à travers plusieurs exemples numériques dans l'écoulement uniforme et non-uniforme. Le dernier objectif est de proposer des modèles de sources aéroacoustiques associées à l'équation de Galbrun. Après une présentation en détail des modèles existants, on adapte une méthode hybride (EIF) à l'équation de Galbrun. Pour assurer la validité de l'approche globale, certains tests classiques sont choisis parmi la littérature et les résultats sont comparés avec les approches existantes et les solutions analytiques.

Dans les secteurs de l'aéronautique ou de l'automobile, de nombreux problèmes de propagation acoustique ont lieu dans des géométries souvent complexes qui nécessitent un traitement par la méthode des éléments finis. Il est également fréquent de rencontrer dans des configurations réelles des zones assimilables à des guides d'ondes qui permettent l'emploi de méthodes modales. L'objet de ce travail est de coupler ces deux approches dans le cas de la propagation acoustique, en régime harmonique. Il concerne l'étude d'un guide d'ondes infini bidimensionnel dont une paroi est recouverte d'un matériau absorbant, en présence d'un écoulement uniforme. La technique proposée consiste à utiliser la méthode des éléments finis dans la zone perturbée qui contient les sources et à écrire une condition aux limites transparente sur les bords du domaine tronqué grâce à une décomposition modale et à la détermination d'un opérateur Dirichlet to Neumann "DtN". Cette décomposition est aisée pour un guide à parois rigides. En revanche, lorsqu'une des parois du guide est recouverte d'un matériau absorbant caractérisé par une impédance Z, des difficultés apparaissent même en l'absence d'écoulement car l'opérateur n'est plus auto-adjoint et les modes ne sont plus orthogonaux au sens du produit scalaire sur L2 . Sans écoulement, nous avons écrit une condition transparente en introduisant un nouveau produit scalaire qui traduit la relation de bi-orthogonalité relative aux problèmes non auto-adjoints. En présence d'un écoulement uniforme, la formulation du problème n'est plus adaptée à l'établissement d'une véritable relation de bi-orthogonalité vérifiée de manière exacte par tous les modes. L'opérateur DtN cherché est alors décrit par un nouveau produit scalaire qui apparaît naturellement dans la formulation variationnelle du problème et pour lequel les modes du guide deviennent asymptotiquement orthogonaux. Nous avons également mis en évidence l'existence de valeurs critiques de l'impédance pour lesquelles la construction d'un opérateur DtN n'est pas possible.