Utilisation de silencieux comportant des tubes perforés pour la réduction du bruit de flux de gaz
Des silencieux comportant des tubes perforés sont utilisés dans différents contextes pour la réduction du bruit de flux de gaz (selon l’application: à température ambiante ou variable e.g. très haute):
- réseaux d’air comprimé (à l’aspiration et/ou au refoulement)
- lignes d’échappement de moteurs thermiques
- évents de dépressurisation (e.g. vapeur)
C’est le passage du flux gazeux au travers d’orifices (e.g. tels qu’ils résultent de travaux de perçage de la paroi longitudinale d’un conduit cylindrique, ou - le cas échéant - de son extrémité transversale) qui base l’atténuation sonore, s’accompagnant d’une perte de pression totale qui doit être bien sûr maintenue dans des limites compatibles avec le bon fonctionnement du procédé considéré par des choix judicieux des paramètres géométriques, selon le débit. Lorsqu’inséré dans une chambre, un tube perforé constitue un étage réactif d’un silencieux, pouvant être combiné avec d’autres étages de diminution du bruit :
- de même nature (éventuellement: ayant une géométrie différente)
- d’une nature différente:
- réactifs, lorsque basé sur la présence de tubes non perforés reliant des volumes (e.g. résonateurs de Helmholtz)
- dissipatifs, lorsqu’il y a un matériau poreux absorbant les sons
Calculs de conception de silencieux comportant des tubes perforés pour la réduction du bruit de flux de gaz
Les calculs de conception de silencieux comportant des tubes perforés pour la réduction du bruit de flux de gaz sont désormais possibles au moyen du Module 1B du logiciel SILDIS®[1] dont les fonctionnalités ont été complétées.
Bien qu’une géométrie assez simple puisse souvent être considérée pour simuler la performance de tels dispositifs, les calculs se rapportant à des tubes perforés de silencieux pour la réduction du bruit de flux de gaz sont - même dans le cas où un seul tube perforé est considéré, avec des perforations uniformément réparties sur une surface valant le produit de la circonférence par la longueur considérées - notablement plus compliqués que ceux se rapportant à nombre d’autres éléments réactifs (dont la matrice de transfert est de type 2*2), puisque les phénomènes physiques en jeu requièrent alors des opérations sur des matrices de type 4*4 ainsi que la détermination des racines de polynômes de degré 4 dans le domaine complexe, pour ce qui concerne l’évaluation de matrices modales devant être effectuée.
En effet la pression acoustique et la vitesse particulaire (ainsi que le paramètre associé débit acoustique massique), en amont et en aval de la longueur perforée de tube considérée pour de tels étages réactifs, doivent être reliées par une matrice de transfert: à la fois pour ce qui concerne a section correspondant à l’intérieur du tube perforé, et aussi pour ce qui concerne celle correspondant à l’extérieur). Une fois cette étape de la modélisation (qui implique une évaluation suffisamment précise de l'impédance d'orifices non situés dans un plan, soumis à la fois à un flux de gaz rasant et à un flux de gaz traversant) effectuée, les calculs peuvent être contextualisés (en tenant compte, le cas échéant, des cavités résonnantes créées par d'éventuelles des tubes en amont/et ou en aval de la longueur perforée) pour différentes configurations e.g. résonateur à tubes concentriques, expansion avec flux traversant, contraction avec flux traversant, constituant autant de nouveaux sous-ensembles possibles de silencieux (le nombre de telles combinaisons étant infini), pour lesquels:
- la performance acoustique peut être calculée, par bande de fréquence (1/21 octave, 1/3 octave, 1/1 octave) (dB):
- perte par transmission sonore (dB) ; c’est le seul indicateur - parmi les trois disponibles en tant que données de sortie du logiciel - qui ne dépend pas de l’impédance de la source i.e. en amont du silencieux (l’existence d’une terminaison anéchoïque est en aval supposée)
- perte d’insertion (dB)
- diminution du niveau de pression (dB)
- la performance aérodynamique peut être calculée:
- perte de pression totale (Pa)
Pour de tels dimensionnements de silencieux comportant des tubes perforés pour la réduction du bruit de flux de gaz, le logiciel SILDIS®[1]:
- constitue une alternative au recours à des outils - dont ITS dispose par ailleurs[2] - en s’affranchissant des tâches parfois fastidieuses (et nécessitant une ressource humaine spécialisée) de création informatique de modèles de géométrie et de maillages (souvent malaisé pour ce qui concerne des perforations, a fortiori si elles sont réparties sur les génératrices d’un cylindre, nombreuses et de petites dimensions) et en évitant des temps de calcul parfois longs, même avec un ordinateur puissant
- est basé sur des méthodes analytiques d'étude de la propagation des sons dans des conduits, avec une approche en cascade et une programmation à l’avance des multiplications des matrices de transfert correspondant à des combinaisons d’éléments plus ou moins usuelles[3], pour la meilleure convivialité possible pour l’utilisateur (la création de nouvelles combinaisons d’éléments est possible aussi « à la demande » par une ressource humaine expérimentée)
Exemples de calculs de conception de silencieux comportant des tubes perforés pour la réduction du bruit de flux de gaz
Les calculs de conception de silencieux avec des tubes perforés pour la réduction du bruit de flux de gaz sont possibles avec le logiciel SILDIS®. Outre les conditions thermodynamiques du gaz et son débit, les paramètres pouvant être considérés sont purement géométriques (diamètre des perforation, pourcentage de vide, épaisseur et diamètre du tube et différentes longueurs suivant le montage envisagé - sans oublier, le cas échéant, les diamètres de chambres, à l’instar de ce qui est considéré pour d’autres éléments réactifs de silencieux -).
- chambre d'expansion avec un tube perforé (montage EC1P1) encore appelé résonateur à tubes concentriques (cf. fig. 1a)
Pour une chambre d'expansion avec 1 tube perforé (montage EC1P1) encore appelé un résonateur à tubes concentriques, un compartiment de section circulaire (i.e. un cylindre avec une cloison transversale à chaque extrémité) est longitudinalement traversé de part en part par un tube - débouchant - perforé sur une partie de sa longueur[4].
Figure 1a schéma d'une chambre d'expansion avec 1 tube perforé (montage EC1P1) encore appelé résonateur à tubes concentriques (les repères 2 & 4 désignent des tubes uniformes, le repère 3 désigne un tube perforé)
Une telle configuration ne se distingue de celle du montage EC1[3] (chambre d’expansion simple, avec entrée et/ou sortie rallongées) - pour ce qui concerne la construction - que par la présence des tubes perforés.
Pour le montage EC1P1, dans bien des cas, la performance tant acoustique qu’aérodynamique peut être ajustée différemment, avec possiblement:
- une meilleure efficacité en termes de réduction du bruit (e.g. une perte par transmission supérieure, et sur une gamme de fréquence élargie) ; entre autres, les creux assez caractéristiques généralement observables sur la courbe de perte par transmission sonore en fonction de la fréquence, pour le montage EC1 (sans tube perforé), aux fréquences de résonance qui sont fonction de la longueur de la chambre et de la longueur des extensions à l'entrée et à la sortie peuvent être atténués (ce qui est souvent désirable) par l'adjonction d'un tube perforé selon le principe du montage EC1P1, à la condition d'un accordage approprié (cf. fig. 1b)
- une perte de pression totale inférieure
Lorsque la longueur de la zone perforée est égale à la longueur totale de la chambre, cette configuration ne se distingue du montage C0[3][5] (silencieux dissipatif circulaire sans séparateur central) - pour ce qui concerne la construction - que par l’absence de matériau absorbant les sons, ce qui annihile le risque de sa dégradation (e.g. sur le long terme, lors d’une exposition à des gaz brûlants et chimiquement corrosifs), et entraîne, en général un coût de fabrication inférieur.
Figure 1b perte (sonore) par transmission d'une chambre d'expansion avec 1 tube perforé (montage EC1P1, selon le principe de la figure 1a) de diamètre 0.135 m, de longueur totale 0.400 m, avec tube central de diamètre 0.045 m, d'épaisseur 0.002 m, avec des perçages de diamètre 0.003 m, une porosité de 20.0 % ; la longueur non perforée en amont de la zone perforée - cette dernière correspondant à 33.3 % de la longueur totale - est égale à 45.9 % de la longueur totale, la longueur non perforée en aval de la zone perforée est égale à 20.8 % de la longueur totale. Le fluide considéré est de l'air à une pression de 101300 Pa, à une temprétaure de 300 degrés Celsius avec un nombre de Mach égal à 0.05 (le logiciel permet également le calcul de la perte de pression totale: 49 Pa pour la présente simulation).
- chambre d'expansion avec deux tubes perforés (montage EC1P2) encore appelé silencieux avec obturateur (cf. fig. 2a)
Pour une chambre d'expansion avec 2 tube perforés (montage EC1P2) encore appelé un silencieux avec obturateur, un compartiment de section circulaire (i.e. un cylindre avec une cloison transversale à chaque extrémité) est longitudinalement traversé de part en part par deux tubes, chacun perforé sur une partie de sa longueur[4], et avec - entre les deux - un obturateur empêchant le passage direct du fluide (et des sons).
Figure 2a schéma d'une chambre d'expansion avec 2 tube perforés (montage EC1P2) encore appelé silencieux avec obturateur (les repères 2, 4 & 6 désignent des tubes uniformes, les repères 3 & 5 désignent des tubes perforés)
Une telle configuration ne se distingue de celle du montage EC1[3] (chambre d’expansion simple, avec entrée et/ou sortie rallongées) - pour ce qui concerne la construction - que par la présence du tube perforé.
Pour le montage EC1P2, dans bien des cas, la performance tant acoustique qu’aérodynamique peut être ajustée différemment, avec possiblement:
- une meilleure efficacité en de réduction du bruit (e.g. une perte par transmission supérieure, et sur une gamme de fréquence élargie)
- une perte de pression totale pas nécessairement supérieure ou inférieure (dépendant de la combinaison de paramètres géométriques sélectionnée)
Lorsque la longueur de la zone perforée est égale à la longueur totale de la chambre, cette configuration ne se distingue du montage C0[3][5] (silencieux dissipatif circulaire sans séparateur central) - pour ce qui concerne la construction - que par l’absence de matériau absorbant les sons, ce qui annihile le risque de sa dégradation (e.g. sur le long terme, lors d’une exposition à des gaz brûlants et chimiquement corrosifs), et entraîne, en général un coût de fabrication inférieur.
En outre, par rapport au montage EC1P1, la présence d'une tube perforé supplémentaire permet des variations de performance acoustique notamment liées à la mise en jeu d'une impédance de tube perforé possiblement différente du fait des caractéristiques géométriques des perforations (e.g. diamètre, taux de vide) et des changements d'autres paramètres e.g. le nombre de Mach associé à la présence d'un flux gazeux rasant et d'un flux passant au travers des orifices), et aussi notamment liées à des résonances de cavités additionnelles à des fréquences différentes du fait des longeurs en jeu ; une vigilance particulière est requise vis à vis d'un maintien à des valeurs acceptables de l'accroissement de la perte de pression totale alors induit.
Une étude de cas (prenant en compte toutes les données, dont certaines ont des impacts antagonistes, et les objectifs plus ou moins spécifiques du projet considéré) est nécessaire pour quantifier la variation de performance du montage EC1P2 par rapport au montage EC1P1 (cf. fig 2b) ou par rapport à d'autres combinaisons d'éléments réactifs ou dissipatifs constituant des silencieux devant être insérés dans un réseau de fluide.
Figure 2b perte (sonore) par transmission d'une chambre d'expansion avec 2 tube perforés (montage EC1P2, selon le principe de la figure 2a) chacun de diamètre 0.135 m, de longueur totale 0.400 m, avec tube central de diamètre 0.045 m, d'épaisseur 0.002 m, avec des perçages de diamètre 0.003 m, une porosité de 20.0 % ; la longueur non perforée en amont de la zone perforée - cette dernière correspondant à 33.3 % de la longueur totale - est égale à 45.9 % de la longueur totale, la longueur non perforée en aval de la zone perforée est égale à 20.8 % de la longueur totale ; les 2 tubes perforés sont séparés par un obturateur. Le fluide considéré est de l'air à une pression de 101300 Pa, à une temprétaure de 300 degrés Celsius avec un nombre de Mach égal à 0.05 (le logiciel permet également le calcul de la perte de pression totale: 409 Pa pour la présente simulation).
- autres utilisations d'un étage d'expansion avec tube perforé à flux traversant (montage ECF+) (cf. fig. 3)
Pour un étage d'expansion avec tube perforé à flux traversant (montage ECF+), 1 tube perforé sur une partie de sa longueur[4] et muni à son extrémité d'un obturateur empêchant le passage direct du fluide (et des sons) est relié à une section circulaire aval, de caratéristiques variables.
Figure 3 schéma d’un étage d'expansion complet avec tube perforé (montage ECF+) (les repères 2, 4 & 6 désignent des tubes uniformes, le repère 3 désigne un élargissement brusque, le repère 5 désigne un tube perforé)
Une telle configuration peut être utilisée seule (constituant un dispositif d'atténuation sonore complet et auto-suffisant dans certains cas) ou bien en tant que partie amont de différents montages de silencieux plus sophistiqués, alors combinée avec - en aval - d'autres éléments modélisables avec le logiciel SILDIS®[1] (réactifs ou dissipatifs) selon les applications envisagées, offrant ainsi des possibilités étendues d'adaptation de la perforamce acoustique et aérodynamique de silencieux pour la réduction du bruit de flux gazeux, à température ambiante comme à (parfois: très) haute température.
Rendre possibles des prévisions de la performance acoustique et aérodynamique de produits et de systèmes constructifs pour l'insonorisation nécessistant des modélisations sophistiquées avec un outil simple et rapide d'utilisation, fiable, précis et polyvalent est l'objectif des travaux de Recherche et Développement en acoustique effectués par ITS. Les calculs de conception de silencieux comportant des tubes perforés pour la réduction du bruit de flux de gaz peuvent être réalisés avec le logiciel SILDIS® soit par la ressource humaine d'ITS (qui a développé et qui commercialise cet outil de simulation: l'édition de logiciels est une activité d'ITS évaluée conforme aux exigences de norme ISO 9001), soit en libre-service (avec abonnement) en mode ASP[6] .
[2] cf. Calculs en acoustique et mécanique des fluides numérique (FEM, BEM, CFD)
[3] cf. rapport PhR23-013 (en anglais)
[4] le choix de la longueur de la zone perforée, comme celui de la longueur des zones non perforées situées en amont et en aval, est - notamment vis-à-vis de la longueur de la chambre - déterminant pour l’obtention d’une performance sans trop d’irrégularités en fréquence
[5] cf. rapport PhR20_013_1
[6] Fourniture d’une Application Hébergée