Cette thèse est consacrée au calcul et à l’étude du champ acoustique rayonné par un jet fortement supersonique, sur-détendu et chauffé. L’approche numérique utilisée consiste à résoudre simultanément l’écoulement turbulent et le champ proche acoustique par simulation des grandes échelles.Afin de résoudre les équations de Navier-Stokes instationnaires et compressibles, des schémas numériques de dérivation spatiale et d’intégration temporelle peu dissipatifs et peu dispersifs sont utilisés. Pour le système de coordonnées cylindriques, une procédure de déraffinement progressive au voisinage de l’axe du jet est proposée pour augmenter le pas de temps de l’intégration temporelle. Une procédure de capture de choc est finalement développée pour supprimer les oscillations de Gibbs aux voisinages des chocs. Cette procédure est explicite, adaptative et conservative.Un jet rond, sur-détendu et présentant un nombre de Mach d’éjection de 3.30 ainsi qu’une pression et une température de réservoir de 28.6 × 105Pa et 1144K est résolu par simulation des grandes échelles. Ce jet est initialement laminaire et possède un nombre de Reynolds de 0.94 × 105. Les champs aérodynamique et acoustique obtenus sont comparés aux données disponibles dans la littérature. Afin de pouvoir identifier les sources acoustiques,le champ turbulent est caractérisé le long de la couche de mélange, notamment en utilisant une analyse spectrale et une décomposition selon les modes azimutaux. Les champs acoustiques proche et lointain sont enfin étudiés et différentes composantes de bruit sont identifiées à partir de comparaisons avec des mesures et des modèles de la littérature, ainsi qu’en établissant des liens avec les propriétés de l’écoulement turbulent. L’influence des effets de la propagation non linéaire des ondes acoustiques est finalement discutée.

Mon travail de thèse est consacré au calcul direct du bruit d'origine aérodynamique à partir des équations de Navier-Stokes. Cette méthode consiste à déterminer simultanément le champ aérodynami¬que et les ondes acoustiques qui possèdent des caractéristiques physiques très différentes, sans faire intervenir de modélisation acoustique. Elle nécessite donc l'utilisation de techniques numériques qui prennent en compte les particularités des fluctuations acoustiques. L'alternative à cette démarche consiste en effet à utiliser une méthode hybride, s'appuyant sur un calcul en deux étapes. La première étape détermine un champ turbulent de vitesse, alors que la seconde utilise un modèle de sources acoustiques combiné avec un opérateur de propagation pour obtenir le rayonnement acoustique. Le premier chapitre présente le code aéroacoustique ALESIA et les développements nouveaux pour l'étendre aux situations en présence de parois physiques. On a notamment développé une formulation des conditions aux limites de paroi. Ce problème est illustré par des cas-tests acoustiques et visqueux. Le deuxième chapitre synthétise l'état des connaissances théoriques et expérimentales concernant l'écoulement au dessus d'une cavité et notamment le rayonnement sonore associé. On s'attache plus particulièrement à la boucle de rétroaction aérodynamique pouvant générer les oscillations autoen-tretenues observées. Le calcul direct du bruit de cavité par simulation numérique directe (DNS) des équations de Navier-Stokes est mis en oeuvre pour plusieurs configurations bidimensionnelles dans le troisième chapitre. Une première simulation laminaire à bas Reynolds permet de reproduire le cou¬plage pression-vorticité responsable d'un rayonnement intense. L'étude de l'influence de l'épaisseur de la couche limite incidente met en évidence un nouveau régime d'écoulement, peut-être les limites d'une approche 2-D. Une deuxième simulation reproduit à l'échelle 1, par DNS, une configuration étudiée expérimentalement par Karamcheti(1955), où une couche limite laminaire à Mach 0.7 affleure une cavité rectangulaire bidimensionnelle. Parmi les théories aéroacoustiques disponibles, le quatrième chapitre analyse les possibilités offertes par les méthodes intégrales, afin de déterminer leur pertinence et leur complémentarité avec les cal¬culs directs. Une revue exhaustive des formulations et des applications existantes permet d'ordonner les nombreux développements réalisés dans ce domaine et de déterminer leur champ d'application respectif. Le dernier chapitre discute la résolution numérique de ces formulations. Trois formula¬tions intégrales, l'analogie de Ffowcs Williams et Hawkings, la méthode d'extrapolation de Kirchhoff et la méthode d'extrapolation basée sur l'équation de Ffowcs Williams et Hawkings sont mises en oeuvre pour plusieurs configurations. L'application à la cavité non compacte de Karamcheti permet d'appréhender les possibilités offertes en terme de gain numérique et d'analyse des sources de bruit.

Dans ce travail de recherche, on présente des développements spécifiques de diagnostiques optiques et leur application à l'étude aéroacoustique des jets rapides à haut nombre de Reynolds. Les résultats expérimentaux présentés ici résultent de visualisation par strioscopie et, de manière prépondérante dans ce manuscrit, de mesure de masse volumique par diffusion Rayleigh. Ces méthodes de caractérisation d'écoulement, appliquées aux jets subsoniques ou supersoniques, ont été associées à des mesures de bruit en champ lointain. La mesure par diffusion Rayleigh, qui repose sur la lumière diffusée par les molécules constituantes du gaz, et n'est donc pas intrusive. Des difficultés apparaissent néanmoins pour exploiter les résultats lorsque le milieu diffusant contient des poussières. Bien que l'air des écoulements obtenu en soufflerie soit filtré, la quantité résiduelle de poussières a rendu nécessaire le développement d'une méthode de nettoyage du signal en post-traitement. Le niveau des signaux obtenus par diffusion Rayleigh est très faible, et dominé par du bruit appelé shot noise. Un gain significatif sur le niveau de ce bruit a été obtenu en optimisant la chaîne d'acquisition après analyse des systèmes existants. De plus une méthode de traitement du signal dérivée d'une méthode existante a permis de calculer des spectres de masse volumique malgré le shot noise avec un seul capteur, là où il en fallait deux auparavant. Les profils de p obtenus par cette technique ont montré qu'il existe une loi de similarité permettant de superposer les profils mesurés à différentes positions axiales. Cette loi est identique pour les jets issus de trois tuyères aux géométries différentes, et à des nombres de Mach de 0.7 et 0.9. Une loi de similarité est également observée pour p'rms si les profils sont mesurés suffisamment loin de la tuyère. L'étude des spectres dans la couche de mélange a mis en évidence un maximum faiblement marqué autour d'une fréquence centrale comprise entre St = 0:2 et St = 2 dans les régions mesurées, plus marqué que dans les spectres de vitesse, et dont le comportement diffère selon l'état initialement laminaire ou turbulent du jet. L'évolution de la forme des spectres en fonction de la différence de masse volumique entre le jet et le milieu ambiant, ainsi qu'en fonction du nombre de Mach, a également été étudiée. Une loi permettant de superposer les spectres a été définie empiriquement sur la plage de variation des différents paramètres. Des mesures simultanées entre l'acoustique en champ lointain et la masse volumique dans l'écoulement ont été réalisées pour un jet à Mj = 0:9 et un jet à Mj = 1:32. Ces résultats ont permis l'estimation de cohérences spectrales et de moyennes conditionnelles. Les résultats obtenus mettent en évidence la présence de structures liées au rayonnement acoustique dans une région située proche de l'axe du jet en aval du cône potentiel. Pour finir, une étude a été réalisée sur le screech dans les jets supersoniques sous-détendus. Elle a permis d'identifier la position de la source de la rétroaction acoustique pour les modes A1, A2, et B, ainsi que la structure du cycle de la boucle qui détermine les changements de fréquences observés aux sauts de modes.

Cette thèse a pour objectif le calcul direct du bruit rayonné par des jets ronds subsoniques à haut nombre de Mach et à nombre de Reynolds élevé. Un solveur L.E.S. en coordonnées cylindriques a été développé. La singularité des équations sur l'axe a été traitée numériquement tout en maintenant une précision de résolution élevée et l'évolution de la couche limite dans la tuyère est calculée. Une méthode de génération de la turbulence a été mise au point, afin d'obtenir des niveaux de fluctuations élevés en sortie de buse. Des mesures aérodynamiques et acoustiques ont ensuite été réalisées sur des jets subsoniques et supersoniques, pour construire une base de données servant à la validation des calculs. Deux jets ronds a Mach 0.9 ont finalement été simulés. L'un est turbulent en sortie de buse et l'autre est laminaire. Les champs aérodynamiques et acoustiques sont en très bon accord avec les mesures et le taux de turbulence a un effet notable sur le rayonnement des jets.

Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés aéroacoustiques de jets supersoniques impactant une paroi par simulation des grandes échelles. Ces simulations sont réalisées à partir des équations de Navier-Stokes 3-D instationnaires compressibles exprimées pour des coordonnées cartésiennes ou cylindriques. Afin de résoudre ces équations, des schémas numériques de différenciation spatiale et d'intégration temporelle peu dispersifs et peu dissipatifs sont utilisés. Les écoulements étudiés étant supersoniques, une procédure de capture de choc est également implémentée afin de supprimer les oscillations de Gibbs de part et d'autre des chocs.Dans un premier temps, un jet rond libre et quatre jets ronds impactant une paroi avec un angle de 90 degrés sont simulés sur des maillages cylindriques. Ces jets sont supersoniques, sous-détendus, et sont caractérisés par un nombre de Reynolds calculé à partir du diamètre du jet de Re=60.000, et par un nombre de Mach parfaitement détendu de Mj=1.56. Les résultats du jet libre sont tout d'abord présentés. Ils sont comparés aux résultats de plusieurs études expérimentales et de modèles afin de valider l'approche numérique utilisée. Notamment, les différentes composantes acoustiques spécifiques aux jets sous-détendus comme le bruit de choc large-bande et le bruit de screech sont observées et analysées. Les résultats obtenus pour les quatre jets impactant une paroi sont ensuite examinés. Dans ce cas, la présence d'une boucle de rétroaction aéroacoustique entre les lèvres de la buse et la paroi est montrée. Pour finir, le comportement aérodynamique et aéroacoustique des jets est étudié, et comparé à différentes études numériques et expérimentales de la littérature. Quatre jets plans supersoniques idéalement détendus impactant une paroi avec un angle de 90 degrés sont ensuite calculés. Ils ont un nombre de Reynolds évalué à partir de la hauteur de la buse de Re=50.000 et un nombre de Mach de Mj=1.28. Une boucle de rétroaction aéroacoustique entre la buse et la paroi est de nouveau mise en évidence. Une combinaison de modèles associant un modèle d'onde stationnaire aérodynamique-acoustique et un modèle de stabilité de jet plan 2-D avec des couches de mélange infiniment minces est alors proposée. Ce modèle permet de déterminer à la fois les fréquences les plus probables de la boucle de rétroaction aéroacoustique et leurs natures plane ou sinueuse.Enfin, les simulations de deux jets plans supersoniques impactant une paroi avec des angles de 60 et 75 degrés sont réalisées grâce à l'utilisation de deux maillages cartésiens, par une méthode de recouvrement de maillages. Les modifications des propriétés de la boucle de rétroaction aéroacoustique lorsque l'angle d'impact dévie de 90 degrés sont ainsi étudiées.

Le travail présenté s'inscrit dans le contexte particulier des écoulements en régime supersonique à l'origine de niveaux de bruit très importants et pouvant induire des phénomènes de vibrations significatives des structures solides présentes dans le champ acoustique rayonné. L'étude préalable de techniques de réduction de bruit et des mécanismes vibro-acoustiques nécessite, entre autres, une connaissance rigoureuse du bruit rayonné ainsi que de ces différentes sources. Pour un écoulement libre quelconque, une approche possible d'estimation du bruit généré consiste à relier la dynamique du champ turbulent intrinsèque de l'écoulement au champ acoustique rayonné. Ceci est rendu possible grâce au concept d'{\it analogie aéroacoustique} proposé initialement par Lighthill (1952). La détermination des organisations spatiale et temporelle du champ turbulent à partir d'un tenseur de corrélation des fluctuations de vitesse permet de rendre compte, statistiquement, de l'évolution au sein de l'écoulement des mécanismes de conversion de l'énergie cinétique turbulente en énergie acoustique et indirectement, de celle des sources aéroacoustiques. Des mesures par Vélocimétrie Laser à Effet Doppler (technique de mesure optique) en jets supersoniques successivement froid et chaud sont ainsi ici réalisées afin de déterminer une des composantes principales de ce tenseur de corrélation. Une modélisation simplifiée du tenseur, basée sur l'estimation d'échelles spatiales et temporelles dites intégrales et caractéristiques des mécanismes sources, est ensuite proposée dans la cas d'une turbulence homogène. La composition spectrale du champ turbulent dans le cas du jet supersonique froid est également ici rapportée et renseigne sur sa dynamique. Ces données expérimentales sont finalement couplées à un code de calculs aéroacoustiques dans le but de prédire le spectre d'intensité acoustique rayonné par un jet supersonique chaud.

L'OBJECTIF DE LA THESE CONSISTE EN LA MODELISATION DU BRUIT DE MELANGE D'UN JET SUPERSONIQUE CHAUD. ON REALISE LE CALCUL ACOUSTIQUE A PARTIR DE L'ESTIMATION DU CHAMP AERODYNAMIQUE ET D'UNE ANALOGIE ACOUSTIQUE. LE CHAMP AERODYNAMIQUE EST ESTIME A PARTIR DES RESULTATS FOURNIS PAR UN CODE DE MECANIQUE DES FLUIDES FERME PAR UN MODELE DE TURBULENCE K-. L'ANALOGIE ACOUSTIQUE EST FONDEE SUR LA RESOLUTION DE L'EQUATION DE LILLEY. CETTE APPROCHE SE HEURTE A DEUX DIFFICULTES MAJEURES. LA PREMIERE DIFFICULTE APPARAIT LORS DU CALCUL DE LA FONCTION DE GREEN ASSOCIEE A L'EQUATION DE LILLEY. POUR DES VITESSES SUPERSONIQUES, L'EQUATION DEFINISSANT LA FONCTION DE GREEN DEVIENT SINGULIERE AU POINT OU LE FACTEUR DOPPLER S'ANNULE ; SA RESOLUTION EST IMPOSSIBLE PAR DES METHODES NUMERIQUES CLASSIQUES. ON DEVELOPPE DONC DEUX METHODES POUR S'AFFRANCHIR DE CETTE SINGULARITE. L'UNE FAIT INTERVENIR LES PREMIERS TERMES DU DEVELOPPEMENT LIMITE DE LA SOLUTION AU VOISINAGE DU ZERO, L'AUTRE EST UNE SOLUTION ANALYTIQUE EXACTE. LA MODELISATION STATISTIQUE DU TERME SOURCE CONSTITUE LA SECONDE DIFFICULTE DE L'APPROCHE CHOISIE. ON RETIENT LA GRANDEUR DEPLACEMENT POUR REPRODUIRE L'ORIGINE DU CHAMP ACOUSTIQUE, QUI APPARAIT COMME PLUS NATURELLE DANS LE FORMALISME DEVELOPPE. LES PROPRIETES STATISTIQUES DU DEPLACEMENT SONT MODELISEES DE MANIERE CLASSIQUE. LE CALCUL DE LA FONCTION DE GREEN ASSOCIEE A L'EQUATION DE LILLEY ET LA MODELISATION DU TERME SOURCE NOUS PERMETTENT D'ELABORER UN MODELE DE PREVISION ACOUSTIQUE (CODE DUNE) INDEPENDANT DU REGIME DE VITESSE ET DE TEMPERATURE DE L'ECOULEMENT. LA VALIDATION DE LA MODELISATION EST REALISEE AU TRAVERS DE JETS LIBRES CIRCULAIRES SUPERSONIQUES CHAUDS EXPERIMENTES DANS LA SOUFFLERIE ANECHOIQUE CEPRA 19 (U#J#E#T/C#J#E#T = 1,4 ; T#J#E#T/T#0 = 2) D'UNE PART, D'AUTRE PART DANS LE BANC MARTEL (U#J#E#T/C#J#E#T = 2,8 ; T#J#E#T/T#0 = 2,7). LES SIMULATIONS SEMBLENT CONFIRMER, PAR LEUR QUALITE, LE BIEN-FONDE DU MODELE ADOPTE. ON PEUT ESTIMER, AU VU DES RESULTATS, QUE LE CODE DUNE PREVOIT CORRECTEMENT LA DIRECTIVITE ET LE SPECTRE DE PUISSANCE ACOUSTIQUE D'UN JET LIBRE SUPERSONIQUE. LES SIMULATIONS METTENT EN EVIDENCE L'IMPORTANCE DU RAYONNEMENT DES ONDES DE MACH SUR LE CHAMP ACOUSTIQUE.