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Interaction fluide-structure

 

Frédéric Élie, mai 2009

 

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Lorsqu’un fluide est en écoulement le long d’une paroi fixe, telle une plaque ou une membrane, il peut être le siège d’un rayonnement acoustique. L’exemple le plus quotidien est celui du bruit développé au voisinage d’une paroi en présence de vent. Un exemple moins courant, mais à prendre en compte dans les problèmes d’acoustique sous-marine, réside dans le bruit résultant de l’interaction entre la paroi d’un véhicule sous-marin (sonar remorqué, sonar de coque, sonar de submersible…) et l’écoulement pariétal de type couche limite dû à son déplacement. Dans ce cas il s’agit de connaître le bruit rayonné afin de corriger les signaux acoustiques reçus par les capteurs, pour ne traiter que les signaux « utiles », c’est-à-dire ceux qui permettent de détecter l’objet recherché (cible sous-marine, obstacle, banc de poissons, etc.).

Les conditions pour lesquelles l’interaction entre le fluide et la paroi peut générer un champ acoustique sont difficiles à établir. A cela deux raisons principales :

-          La rétroaction entre les réponses mécaniques de la structure et les réponses hydrodynamiques du fluide : si la paroi est déjà animée de vibrations (pour de multiples raisons : vibrations dues à la propulsion, etc.), celles-ci peuvent perturber le régime d’écoulement du fluide et le faire évoluer vers la turbulence ; celle-ci est alors le siège de sources de bruit, appelées pseudo-son, qui peuvent à leur tour interagir avec les vibrations de la paroi.

-          La nature du couplage entre l’écoulement perturbé et la paroi : elle peut être linéaire, mais pour des fluctuations d’amplitudes importantes, les modes convectifs dans la couche limite interviennent dans le couplage, celui-ci est alors non linéaire (couplage dit fort). Le régime laminaire bifurque vers un régime d’intermittence caractérisé par les bouffées d’Emmons particulièrement génératrices de sources acoustiques intenses.

Les conditions d’interaction fluide-structure mettent en jeu trois domaines : l’hydrodynamique d’une couche limite fluide soumises à des instabilités, les comportements élastiques d’une paroi flexible, l’acoustique des sources de pseudo-son dans la couche limite et du champ rayonné résultant du couplage.

Ces difficultés ont été traitées dans les très nombreuses études théoriques et expérimentales sur l’interaction fluide-structure.

Afin de faire sentir ces difficultés, dans un but pédagogique, je propose ici une approche très simplifiée appliquée au cas d’une paroi flexible séparant deux domaines fluides (air-air, air-eau, eau-eau) dans l’un desquels un écoulement pariétal se développe. Celui-ci est considéré laminaire perturbé par des ondes d’instabilité de type Tollmien-Schlichting, leur origine étant toujours supposée connue (soit apportées par les vibrations de la paroi, soit déjà présentes dans le fluide). Les conditions de couplage linéaire et celles de couplage fort sont alors examinées pour la bifurcation vers la turbulence, ou encore vers le régime d’intermittence.

J’ai déjà signalé que le bruit généré par l’interaction fluide-structure était exploité pour corriger le signal acoustique reçu par les capteurs d’une antenne sonar. Dans cette perspective, je termine l’article en indiquant comment l’interspectre du signal acoustique entre ces capteurs peut être relié au champ excitateur qui résulte lui-même de l’interaction fluide-structure...

©Frédéric Élie, mai 2009 - http://fred.elie.free.fr - page 1/2