Analyse de l'interaction acoustique-structure entre modes de disques

Les roues Francis à haute chute ou les turbines-pompes ont souvent des rapports de vitesse et de dimension qui font que les fréquences naturelles acoustiques et structurelles tendent à se rapprocher, ainsi que la fréquence d'excitation du rotor-stator. Lorsque la compressibilité devient significative, le simple effet de la masse ajoutée qui déplace les fréquences naturelles de la structure n'est pas suffisant pour modéliser le système fluide-structure. Il est alors difficile de distinguer la nature, c'est-à-dire acoustique ou structurelle, de chaque mode et l'effet d'amplification associé de la réponse forcée. L'objectif principal du projet est d'étudier le comportement d'un système disque-disque dans l'eau (cavité acoustique) pour les cas où les fréquences acoustiques et structurelles sont proches, en tant que modèle simplifié d'une roue de turbine-pompe. Dans un premier temps, les paramètres adimensionnels qui caractérisent l'interaction acoustique/structure sont identifiés. Ensuite, nous identifions les modes naturels de vibration des disques, les modes naturels de vibrations dans la cavité et les cohérences de mode entre les deux systèmes. Ce travail se concentre sur les modes excités par l'interaction rotor-stator (avec le diamètre nodal 3), et les modes vibratoires correspondants dans la cavité. La méthode de Ritz analyse l'effet de la compressibilité de l'eau sur les fréquences naturelles, en utilisant une décomposition de Bessel pour le domaine structurel et du fluide. Elle se concentre sur les interactions fluide-structure et permet une compréhension physique de ces interactions. Avec moins de degrés de liberté que l'analyse par éléments finis, elle offre un calcul plus rapide et des études paramétriques plus faciles. Les résultats sont vérifiés par une analyse par éléments finis acoustiques, plus réaliste. Une étude paramétrique est menée pour comprendre comment les modes structurels et acoustiques interagissent pour une large gamme de paramètres adimensionnels tels que le paramètre de compressibilité, le rapport des densités (entre le fluide et la structure), la dimension de la cavité et les épaisseurs des disques. D'abord, en faisant varier le paramètre de compressibilité, nous analysons la transition entre un modèle simple incompressible et un modèle compressible. Ensuite, des plages d'intérêt sont identifiées, à savoir lorsque seuls quelques modes interagissent. Dans de tels cas, des systèmes très simples de 2, 3 et 4 degrés de liberté peuvent représenter analytiquement le comportement du système. Ce travail contribue à améliorer la compréhension des vibrations de turbine dans les cas où les modes acoustiques et structurels sont potentiellement excités et interagissent.