Étude numérique des effets d'un écoulement secondaire sur les compososantes acoustiques tonales de screech généré par des jets supersoniques // Numerical study of the effects of a secondary flow on screech noise generated by supersonic jets

Les effets d'un écoulement secondaire (coflow) sur les composantes de bruit générées par des jets turbulents ont été étudiés expérimentalement [1,2]. Pour les jets supersoniques, le coflow peut supprimer le rayonnement des ondes de Mach en rendant les mouvements turbulents subsoniques. Dans les jets supersoniques contenant des chocs, il affecte significativement les composantes tonales du bruit de screech - des phénomènes résonants dus à des boucles de rétroaction aéroacoustique - en réduisant leur amplitude [2], en induisant un changement de mode ou en décalant les fréquences.

Ces effets proviennent des modifications des composants des boucles de rétroaction : les ondes d'instabilité/structures cohérentes se propageant vers l'aval, les structures de cellules de choc, les ondes acoustiques se propageant vers l'amont (issues des interactions ondes/chocs) et la réceptivité au niveau de la lèvre de la tuyère. Le coflow étire le développement axial des cellules de choc, modifiant l'espacement et l'intensité des chocs, ainsi que le taux d'étalement du jet et les niveaux de turbulence. Il peut également perturber les boucles de rétroaction en déviant ou en amortissant les ondes acoustiques se propageant vers l'amont, entraînant une réduction ou une suppression du screech.

Des travaux récents montrent que les ondes se propageant vers l'amont et fermant les boucles de screech sont des ondes guidées dans le jet (GJW), confinées dans le cœur du jet [3]. Les GJW se propagent vers l'amont ou l'aval comme des ondes neutres, avec des relations de dispersion spécifiques, et jouent un rôle clé dans les phénomènes de résonance des jets avec chocs ou en interaction avec une paroi [4].

L'objectif de cette thèse est de documenter et d'expliquer les effets du coflow sur le bruit de screech des jets supersoniques en combinant des simulations aux grandes échelles (LES) et une modélisation des GJW (analyse de stabilité linéaire et propagation sonore). Les LES haute fidélité simuleront des jets de la littérature [6-9] en résolvant les équations de Navier-Stokes compressibles instationnaires avec des schémas d'ordre élevé sur des maillages cylindriques (~500 millions de points) pour capturer les champs aérodynamiques et acoustiques. Cette méthode a été validée à l'LMFA pour des jets subsoniques/supersoniques, libres [6], avec screech [7] et impactant une paroi [8-9] (publications : acoustique.ec-lyon.fr/publication_uk.php).

Objectifs :
- Reproduire les champs turbulents/acoustiques des jets supersoniques (avec ou sans screech, avec ou sans coflow).
- Décrire l'impact du coflow sur les champs d'écoulement et acoustiques, en se concentrant sur les éléments clés des boucles de rétroaction (ex. : GJW).
- Caractériser les GJW dans les jets avec coflow (comme dans [10]) et comparer leurs propriétés avec l'analyse de stabilité linéaire [11] et les simulations de propagation sonore.
- Expliquer les mécanismes d'atténuation du screech avec le coflow et les phénomènes résonants dans les jets à haute vitesse.
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The effects of a secondary flow (coflow) on noise components in turbulent jets have been studied experimentally [1,2]. For supersonic jets, coflow can suppress Mach wave radiation by making turbulent motions intrinsically subsonic. In shock-containing supersonic jets, it significantly affects screech tones—resonant phenomena due to aeroacoustic feedback loops—by reducing their amplitude [2], inducing mode switching, or shifting frequencies.

These effects stem from modifications to feedback loop components: downstream-propagating instability waves/coherent structures, shock-cell structures, upstream-propagating acoustic waves (from wave/shock interactions), and nozzle lip receptivity. Coflow stretches shock-cell axial development, altering shock spacing/strength, jet spreading, and turbulence levels. It may also disrupt feedback loops by diverting or damping upstream-propagating waves, leading to reduced or suppressed screech.

Recent work shows that upstream-propagating waves closing screech loops are guided jet waves (GJW), confined in the jet core [3]. GJW propagate upstream/downstream as neutral waves with specific dispersion relations and are key to resonances in shocked or wall-interacting jets [4].
This PhD will document and explain coflow's effects on supersonic jet screech noise by combining LES and GJW modeling (linear stability + sound propagation). High-fidelity LES will simulate literature jets [6-9] by solving unsteady compressible Navier-Stokes equations using in-house high-order schemes on cylindrical meshes (~500M points) to capture aerodynamic/acoustic fields. This method has been validated at LMFA for subsonic/supersonic, free [6], screeching [7], and wall-impacting jets [8-9] (publications: acoustique.ec-lyon.fr/publication_uk.php).

Objectives:
- Reproduce turbulent/acoustic fields of supersonic jets (screeching/non-screeching, with/without coflow).
- Describe coflow's impact on jet/sound fields, focusing on feedback loop elements (e.g., GJW).
- Characterize GJW in coflow jets (as in [10]) and compare with linear stability analysis [11] and sound wave simulations.
- Explain screech attenuation mechanisms with coflow and broader resonant phenomena in high-speed jets
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Ecole Centrale de Lyon

162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

L'étudiant(e) devra posséder de solides compétences en mécanique des fluides (turbulence, instabilités) et en méthodes de simulation numérique. Des connaissances en acoustique/aéroacoustique, ainsi qu'en programmation HPC (High-Performance Computing), seront un atout.
The candidate should have strong skills in fluid mechanics (turbulence, instabilities) and numerical simulation methods. Knowledge of acoustics/aeroacoustics, as well as HPC (High-Performance Computing) coding, will be an asset.