ITS propose la réalisation de calculs en acoustique et mécanique des fluides numérique (FEM, CFD), en particulier dans le contexte de l’évaluation des performances de silencieux (e.g. perte d'insertion, perte de pression totale), notamment lorsque la géométrie de l’enveloppe ou des parties internes de tels dispositifs d’insonorisation ne peut pas facilement être prise en compte avec les modules du logiciel SILDIS® se rapportant à la limitation de la transmission du bruit dans les conduits :

  • pour la section dissipative de silencieux : dans le cas de revêtements absorbants d’épaisseur non constante, dans le cas de séparateurs en quinconce
  • pour la section réactive de silencieux : dans le cas de géométries spéciales des parties internes (chambres ou tubes de liaison)
  • quel que soit le phénomène physique basant l'efficacité d'un silencieux: pour la prise en compte des modes d’ordre élevé, et, dans le cas de géométrie circulaires: pour de grandes sections transversales, vis à vis desquelles l'évaluation des fonctions de Bessel et Neumann pose des problèmes de calcul

De telles situations peuvent survenir dans le contexte de la conception et du dimensionnement d’atténuateurs de bruits pour des applications dans le secteur du bâtiment (e.g. réseaux de ventilation, de climatisation) ou industriel (e.g. admission d’air et échappement de moteurs ou de turbines à combustion, mise à l’atmosphère de gaz sous pression).

En la matière, les prestations de services offertes par ITS (évaluées conformes aux exigences requises par la norme ISO 9001, comme les autres missions d’ingénierie effectuées par ITS) incluent toutes les étapes de calculs en acoustique et mécanique des fluides numérique (FEM, BEM, CFD), tels que détaillés ci-dessous.

Modélisation géométrique (solide) d’atténuateurs de bruit

La modélisation géométrique (solide) constitue la première étape des simulations en acoustique et mécanique des fluides numérique (FEM, MFN) d’atténuateurs de bruit et revêt une importance toute particulière, car il s'agit de la création d'un ensemble de formes en mesure de refléter toutes les caractéristiques physiquement pertinentes du problème, sans le surcharger de détails mineurs.

Il est nécessaire de prendre en compte les dimensions des différents composants du silencieux :

  • enveloppe (conduit) e.g. avec une section rectangulaire, carrée ou circulaire, le cas échéant avec des changements de dimension transversale
  • revêtement absorbant les sons e.g. en périphérie (éventuellement partielle) de l’enveloppe, ou bien sous la forme de séparateurs (baffles) continus (i.e. dont la dimension transversale est égale à celle du conduit) ou discontinus e.g. séparateur central, baffles en quinconce
  • profilés aérodynamiques (en amont et/ou en aval de sections avec des matériaux absorbant les sons) e.g. de forme rectangulaire, pyramidale, ou bien en demi-cercle

La ressource humaine de ITS peut créer un modèle 3D (i.e. en 3 dimensions) prenant en compte les caractéristiques géométriques influant sur les indicateurs de performances dont l’obtention constitue l’objet de la simulation et, s’agissant des différentes surfaces en présence, créer des groupes auxquels pourront être assignées des propriétés et des conditions de service à l’occasion d’étapes ultérieures du processus de calcul.

Dans le cas de dispositifs d’insonorisation dont la section transversale présente un motif, et dans la perspective de limiter les ressources (processeurs, mémoire) et le temps des étapes pour lesquelles elles sont mises en jeu, un modèle simplifié peut ne prendre en compte qu’un nombre limité de sous-ensembles identiques (parfois: un seul e.g. un séparateur absorbant parmi de nombreux autres de même constitution), à la condition que l’on puisse se satisfaire de la non considération exacte de certaines conditions aux limites e.g. au niveau de plans de symétrie.

Dans le cas où il est souhaité que les résultats des simulations puissent être comparés avec des mesures en laboratoire (e.g. ISO 7235, ASTM E-477), le modèle 3D doit prendre en compte des longueurs droites de conduit additionnelles suffisamment grandes en amont et en val du silencieux (cf. fig. 1).

vue en perspective - modélisation géométrique solide d’un atténuateur de bruit : séparateur central absorbant les sons (avec extrémités pyramidales) dans un conduit avec considération de longueurs droites en amont et en aval

Fig.1 vue en perspective - modélisation géométrique solide d’un atténuateur de bruit : séparateur central absorbant les sons (avec extrémités pyramidales) dans un conduit avec considération de longueurs droites en amont et en aval

Définition du domaine du fluide

La définition du modèle du fluide constitue la deuxième étape des simulations en acoustique et mécanique des fluides numérique (FEM, BEM, CFD), et elle n’est pas moins cruciale que la première.

Il s’agit, à partir de la modélisation géométrique (solide) du silencieux, de circonscrire et de préciser, de manière appropriée, les frontières de l’espace (contenant le fluide) dans lequel les calculs seront effectués et d’affecter aux limites des propriétés prédéfinies par ailleurs e.g. pour l’entrée et la sortie, ainsi que pour les parois (i.e. enveloppe et parties internes) (cf. fig. 2).

coupe longitudinale - modélisation géométrique et représentation du domaine du fluide pour l’atténuateur de bruit de la fig.1

Fig. 2 coupe longitudinale - modélisation géométrique et représentation du domaine du fluide pour l’atténuateur de bruit de la fig.1

Définition d’un maillage

La définition d’un maillage constitue la troisième étape des simulations en acoustique et mécanique des fluides numérique (FEM, MFN) et est capitale vis-à-vis du compromis qui doit être trouvé, pour ce qui concerne le niveau de discrétisation (i.e. le nombre, la géométrie et la répartition des cellules élémentaires), entre d’une part la précision attendue des résultats de simulation (et aussi la rapidité pour obtenir la nécessaire convergence lors de la résolution des équations de mécanique des fluides ou d’acoustique) et d’autre part les ressources devant être engagées pour les obtenir (croissantes avec la densité du maillage), a fortiori si l’on ne dispose pas des moyens de calculs dignes de ceux d’une agence spatiale, alors que l’on souhaite des temps de calcul suffisamment courts.

C’est pourquoi il est si important d’effectuer les bons choix en la matière dans l’ensemble du domaine du fluide :

  • dans la section la plus large et au niveau des constrictions: avec des cellules élémentaires suffisamment petites en regard du diamètre hydraulique de la portion du conduit considérée
  • à proximité des parois du conduit guidant l’écoulement interne, et à proximité des obstacles (e.g. revêtement absorbant les sons, éventuellement sous la forme de baffles ou de séparateur central) avec des cellules élémentaires proportionnées vis-à-vis de l’épaisseur de la couche limite visqueuse (laminaire ou turbulente, selon la valeur du nombre de Reynolds)

 La figure 3 illustre un exemple de maillage dans un contexte de calcul aéraulique.

coupe longitudinale - maillage pour le domaine du fluide de la figure 2

Fig. 3 coupe longitudinale - maillage pour le domaine du fluide de la fig. 2

Autres paramétrages des simulations en acoustique et mécanique des fluides numérique

D’autres paramétrages sont nécessaires pour des simulations en acoustique et mécanique des fluides numérique (MFN, CFD) e.g. la définition de nombres d’itération et de critères de convergence, la gestion des processeurs pour les calculs, le choix d’un modèle d’écoulement, des conditions thermodynamiques, des valeurs initiales de différentes quantités physiques, la sélection d’un fluide et de sa modélisation, l’assignation de conditions aux limites pour les sections libres correspondant à l’entrée et à la sortie du modèle ainsi que pour les parois du conduit et les surfaces du garnissage absorbant les sons (en tenant compte de la rugosité appropriée).

En matière d’acoustique, lorsqu’il y a lieu de prendre en compte un revêtement absorbant les sons à réaction locale, l’évaluation de son admittance (inverse de l’impédance) de surface est une étape de plus du calcul de la performance de dispositifs d’insonorisation, ce pour quoi la modélisation du comportement acoustique de matériaux fibreux, de mousses ou de résonateurs est requis (y compris: vis-à-vis de la température, et en tenant compte de la planéité ou de la courbure des absorbeurs). Les résultats de simulations à l’aide du logiciel SILDIS® (développé et commercialisé par ITS) constituent alors des données d’entrée très utiles pour les calculs acoustiques FEM.

Résultats des calculs en acoustique et mécanique des fluides numérique (FEM, BEM, CFD)

Les principaux résultats des calculs en acoustique et mécanique des fluides numérique (FEM, BEM, CFD) tels qu’effectués par ITS sont les suivants :

  • en termes d’acoustique (dans le contexte du dimensionnement de silencieux), des cartographies du niveau de pression acoustique (cf. fig. 4), la perte par transmission (cf. fig. 5) et la perte d’insertion de silencieux

vue en perspective - cartographie du module du niveau de pression acoustique de crête à la fréquence 86 Hz (dans la bande d’octave de fréquence centrale 63Hz) obtenu par un calcul basé sur une Méthode des éléments finis 
Fig. 4 vue en perspective - cartographie du module du niveau de pression acoustique de crête à la fréquence 86 Hz (dans la bande d’octave de fréquence centrale 63Hz) obtenu par un calcul basé sur une Méthode des éléments finis (de frontière) pour l’atténuateur de bruit de la fig.1

perte par transmission d’un atténuateur de bruit dans l’intervalle fréquentiel de fréquence centrale 63Hz obtenu par un calcul basé sur une Méthode des éléments finis
Fig. 5 perte par transmission d’un atténuateur de bruit dans l’intervalle fréquentiel de fréquence centrale 63Hz obtenu par un calcul basé sur une Méthode des éléments finis (de frontière) pour l’atténuateur de bruit de la fig.1
  • en termes d’aéraulique: la perte de pression totale, les cartographies (contours en couleurs) de différents indicateurs scalaires (e.g. pression, vitesse), la distribution vectorielle des vitesses, les lignes isométriques de paramètres e.g. vitesse

 coupe longitudinale - cartographie de la pression statique pour l’atténuateur de bruit de la fig.1
Fig. 6 coupe longitudinale - cartographie de la pression statique pour l’atténuateur de bruit dont le maillage est illustré par la fig. 2
coupe longitudinale - cartographie de la vitesse axiale pour l’atténuateur de bruit de la fig.1
Fig. 7 coupe longitudinale - cartographie de la vitesse axiale pour l’atténuateur de bruit dont le maillage est illustré par la fig. 2

FEM : Acronyme anglais qui peut être traduit par « Méthode des Eléments Finis (MEF) »
BEM : Acronyme anglais qui peut être traduit par « Méthode des Eléments Frontières »
CFD : Acronyme anglais qui peut être traduit par « Dynamique ou Mécanique des fluides numérique (MFN) »