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Calcul direct des performances aérodynamique et acoustique d'un silencieux industriel par modélisation CFD, et optimisation aérodynamique

Belleil, Cédric (2005). Calcul direct des performances aérodynamique et acoustique d'un silencieux industriel par modélisation CFD, et optimisation aérodynamique. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de Téchnologie Supérieure.

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Résumé

Ce mémoire concerne les silencieux absorbants présents dans les systèmes de ventilation de bâtiments. Les caractéristiques du silencieux sont la perte sonore et la perte de charge engendrées par son insertion. Un modèle bidimensionnel du silencieux est créé avec le logiciel de mécanique des fluides FLUENT. Le milieu d'amortissant acoustique, séparé de la zone d'écoulement par une tôle perforée, est représenté comme une zone poreuse où a lieu de la friction.

Un écoulement est simulé par résolution des équations de Navier-Stokes moyennées par Reynolds, fermées par un modèle de turbulence. Pour l'analyse aérodynamique, l'écoulement est supposé incompressible et stationnaire. L'analyse acoustique nécessite une résolution compressible instationnaire d'un écoulement bruité. L'analyse fréquentielle du bruit transmis détermine la perte par insertion. Les résultats numériques sont fidèles aux performances expérimentales.

Enfin, l'optimisation du profil géométrique du silencieux est réalisée: les pertes de charge peuvent être diminuées significativement en adoptant un critère géométrique optimal.

Titre traduit

Direct simulation of aerodynamic and acoustic performances of a silencer by CFD modeling, and aerodynamic optimisation

Résumé traduit

Over the past century, noise control has become a major field of technological research in order to ensure people's comfort and health, particularly in a working environment that is becoming increasingly mechanised and noisy. The presented work concerns heating, ventilation and air conditioning (HVAC) systems for commercial or industrial buildings and, more specifically, the silencers present in the ventilation ducts used to attenuate the sounds transported by the air flow. Characteristics of the silencer are mainly the acoustic level loss and the aerodynamic pressure loss generated by the insertion of the silencer, a good design aiming to maximise the former and minimise the latter. Experiments made in a wind tunnel on a basic silencer allow for a prioi knowledge of the pressure loss and insertion loss for real conditions. This thesis presents a study of the aerodynamic and acoustic performance of an industrial silencer by numerical modeling, using the well known computational fluid dynamics software package, FLUENT. The geometry is modeled in 2D and the acoustic damping medium made of rockwool is represented as a homogeneous porous zone. The perforated sheet which separates the acoustic zone from the flow zone is also modeled, respecting its open ratio and dimensions. The virtual model is inserted into a straight duct and an airflow of low Mach number is simulated by resolving the Reynolds averaged Navier-Stokes equations. The flow is steady and incompressible and turbulence is resolved with one of the two-equation models k - w SST or k - e. To represent the rockwool resistance on the fluid, the porous media model of FLUENT is used. It employs Darcy's laws and adds a frictional source term to the momentum equations, depending on the medium properties. The calculated pressure loss agrees well with experimental observations for all the velocities of interest. Furthermore, other mathematical models are presented to simplify the complex representation of the perforated screen.

The acoustic analysis needs a compressible and unsteady flow to be able to describe noise phenomenonae. To achieve this, a pressure wave is created by a pulse in the velocity field and propagates into the domain across the flow. The acoustic pressure, calculated directly with the other aerodynamic variables, is measured downstream of the silencer, after its attenuation. A frequential analysis allows for comparison of this signal to its non-absorbed acoustic counterpart, measured in a duct without a silencer. The insertion loss due to the silencer is then calculated "en bandes d'octave et tiers d'octave". Numerical results are very close to the real insertion loss, for frequencies from 125 to 4000Hz.

Finally, optimisation of the aerodynamic profile is done to decrease the pressure loss due to the silencer presence. This loss can be significantly decreased by controlling the recirculation zones and separation points downstream. A geometric criteria is found for the divergence at the exit to reach optimum system efficiency.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliogr.: f. [117]-121. Chap. 1. Revue de la littérature -- Chap. 2. Étude expérimentale du silencieux absorbant -- Chap. 3. Modélisation mathématique -- Chap. 4. Performance aérodynamiques des modèles -- Chap. 5. Étude acoustique du silencieux -- Chap. 6. Performances acoustiques des modèles -- Chap. 7. Optimisation du profil aérodynamique.
Mots-clés libres: Acoustique, Aerodynamique, Cfd, Dynamique, Fluent, Fluide, Industriel, Modelisation, Numerique, Optimisation, Performance, Silencieux
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Masson, Christian
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Laville, Frédéric
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 26 janv. 2011 15:02
Dernière modification: 31 oct. 2016 23:37
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/338

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