Study of acoustic shock wave reflection over rough surface
Etude de la réflexion d'ondes de choc acoustiques sur des parois rugueuses
Résumé
Acoustic shock wave reflection over smooth surface can lead to more complex reflection pattern than the Snell-Descartes reflection usually observed in linear acoustic. Therefore, these patterns are difficult to predict analytically. If these irregular reflections are well known in the case of smooth surfaces, they are less so on the other hand for deformed surfaces. The use of numerical tools to study these configurations is suitable because the measurement of shock wave in the laboratiry are not easy to perform. The simulation is also relevant because the surface geometry can is perfectly defined. This work is focused on the numerical study of the propagation and reflection of acoustic shock waves on deformed surfaces. Fo that purpose, a code solving Euler equations in the time domain by the use of finite difference methods is developped. Firstly, the numerical methods used are described. In particular, the deformed surfaces modelisation is performed by the use of a curvilinear coordinate system. Two test cases are presented to demonstrate the robustness of the method. The first one corresponds to the case of the diffraction of a linear acoustic wave by a rigid sphere. The second one consists in simulating the propagation of an N-shaped shock wave in tube where the mesh at the center is deformed.A numerical study is then performed to determine a relevant initialization to simulate the shock wave generated by an electrical spark discharge. Indeed, this type of source has been used so far to study experimental shock wave reflection in the laboratory before this thesis. The chosen approach consists in adding an initial energy deposit which correspond to the field heated by the plasma resulting from the spark. Simulation results are compared to free-field measurements with good agreement. The question of the directivity of the source is discussed to determine if it has a role in the shock wave reflection configurations considered therefore.Finally, the reflection on three types of surfaces is studied. The first case corresponds to the reflection of a shock wave over a smooth surface. The numerical study is compared to previous experimental results and show an accurate prediction of the shock reflection pattern. The reflection on periodic surfaces is then treated in detail numerically. The geometry chosen is a sinusoidal shape because of the abundant literature on this configuration in a linear case. The existence of a surface wave remaining confined ner the wall is put in evidence. This induces a greater maximum pressure than for a smooth surface configuration. In addition, diffraction on the surface limit shock wave interaction between the incident and the reflected shock waves. Finally, the reflection of shock waves on rough surfaces is discussed. The effects obtained for surfaces with random geometries corresponds to those observed for periodic geometries, althourgh less pronounced. In particular, the surface wave observed previously is still present both numerically and experimentally. Indeed, previous experiments where sandpaper were used as rough surface are in good agreement with simulations. Random surface shape are also a first step towards configurations encountered in pratical cases such as sonic boom reflection on the ground. In particular, the study suggests that near-surface pressure levels in the case of sonic boom could be underestimated if the constructuve effects due to diffraction on the ground are not taken into account.
La réflexion d'ondes de choc acoustiques sur des parois lisses peut mener à des schémas de réflexions plus complexes que la réflexion de type Snell-Descartes observée classiquement en acoustique linéaire et sont ainsi difficiles à prédire analytiquement. Si ces réflexions irrégulières sont bien connues dans le cas de parois lisses, elles le sont en revanche moins pour des parois déformées. L'utilisation d'outils numériques pour étudier ces configurations est toute indiquée car la mesure d'onde de choc en laboratoire est difficile et la simulation présente l'avantage de contrôler parfaitement la géométrie de la surface à étudier. Cette thèse porte ainsi sur l'étude numérique de la propagation et la réflexion d'ondes de choc acoustiques sur des parois déformées.Pour cela, un code de résolution des équations d'Euler dans le domaine temporel par méthodes de type différences finies est développé. Dans un premier temps, les méthodes numériques employées sont décrites. La déformation de la paroi est modélisée via l'utilisation de coordonnées curvilignes. Deux cas tests sont présentés pour démontrer la robustesse de la méthode. Le premier correspond au cas de la diffraction d'une onde acoustique linéaire par une sphère rigide. Le second consiste à simuler la propagation d'une onde de choc dit en N dans un tube à section droite, dont le maillage à l'intérieur du tube est déformé Une étude numérique est ensuite menée afin de déterminer une initialisation pertinente pour simuler l'onde de choc générée par un arc électrique. Ce type de source a été utilisée jusqu'ici pour étudier expérimentalement la réflexion d'ondes de choc en laboratoire. L'approche choisie consiste à ajouter un dépôt d'énergie initial qui correspond à la zone échauffée par le plasma de l'arc électrique. Les résultats des simulations sont comparés avec des mesures en champ libre avec une bonne concordance. La question de la directivité de la source est discutée pour déterminer si celle-ci à un rôle dans les configurations de réflexion d'ondes de choc considérées par la suite.Enfin, la réflexion sur trois types de parois est étudiée. Le premier cas correspond à la réflexion d'ondes de choc sur des parois lisses. L'étude, menée à la fois numériquement et expérimentalement, montre la bonne précision obtenue pour décrire les interactions d'ondes de choc. La réflexion sur des surfaces périodiques est ensuite traitée en détail numériquement. La géométrie choisie est une paroi sinusoïdale en raison de la littérature abondante sur la question dans un cas linéaire. L'existence d'une onde de surface restant confinée en proche paroi est mise en évidence. Celle-ci induit une pression maximale plus importante que pour une paroi lisse. De plus, les interactions entre le choc incident et réfléchi sur la paroi sont moins marquées que dans le cas d'une surface lisse du fait de la diffraction. Finalement, la réflexion d'ondes de choc sur des parois rugueuses est abordée. Les effets obtenus pour des parois à géométrie aléatoire correspondent à ceux observés pour des parois à géométrie périodique, bien que moins prononcés. En particulier, l'onde de surface observée précédemment est toujours présente. Ces simulations sont comparées avec un très bon accord à des expériences menées en laboratoire en utilisant du papier de verre comme surface rugueuse. Les parois à géométrie aléatoire sont ainsi un premier pas vers des configurations rencontrées dans des cas pratiques tel que la réflexion du bang sonique sur le sol. L'étude suggère notamment que les niveaux de pression en proche paroi dans le cas du bang sonique pourraient être sous-estimés si les effets constructifs dus à la diffraction sur le sol ne sont pas pris en compte.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)