Analyse et atténuation par shunt piézoélectrique résonant des vibrations induites par l'écoulement subies par des surfaces portants navales

Les vibrations induites par l'écoulement subies par des surfaces portantes navales peuvent entraîner des bruits acoustiques et une fatigue structurelle précoce. Une étude expérimentale de ces vibrations a été menée afin 1) d'étudier le couplage fluide-structure de surfaces portantes allongées sous excitation fluide soumises à un plus grand nombre de degrés de liberté et 2) de concevoir un dispositif efficace d'atténuation des vibrations consistant en un shunt piézoélectrique résonnant passif. Les structures étudiées consistent en une plaque plane de section rectangulaire en aluminium de rapport corde/épaisseur de 16,7 et en un hydrofoil tronqué en aluminium de type NACA 66-306 d'un rapport corde/épaisseur de 13,9. Diverses vitesses d'écoulement, associées à des nombres de Reynolds basés sur la corde compris entre 250000 et 950000, ont été analysées à zéro degré d'incidence dans le tunnel hydrodynamique de l'Institut de Recherche de l'École Navale (IRENav). La vitesse de vibration des deux structures a été évaluée par vibrométrie laser. Le sillage a été caractérisé par vélocimétrie d’image de particule et analysé par étude statistique de l'écoulement moyen et par décomposition orthogonale propre. La dynamique des tourbillons de Karman a été analysée à l'aide d'un algorithme de détection des tourbillons.. L'analyse de la réponse vibratoire à différentes vitesses d'écoulement a mis en évidence trois régimes de vibration distincts, à savoir l'absence de résonance, la résonance sans accrochage et la résonance avec accrochage avec le premier mode de torsion. Pour la plaque plane, deux sources d'excitation coexistent : 1) l'instabilité de bord de fuite et 2) l'instabilité de cisaillement qui se traduit par deux modes de lâché tourbillonnaire. Le régime de résonance avec accrochage est caractérisé par une augmentation de la contribution à l’énergie cinétique turbulente total du lâché tourbillonnaire primaire de Karman et de sa première harmonique, en accord avec une augmentation de la traînée. Un dispositif innovant consistant en un shunt résonnant passif connecté à un patch piézoélectrique intégré à la surface de l'hydrofoil a été mis en œuvre. Les vibrations de type torsion ont été atténuées à une vitesse d'écoulement nulle dans l'air et dans l'eau et à différentes vitesses d'écoulement dans l'eau. Deux types de shunts piézoélectriques résonnants passifs ont été testés : le shunt avec inducteur bobiné et le shunt à inducteur synthétique. Le shunt avec inducteur bobiné a démontré un niveau d'atténuation des vibrations de 18 dB de l'amplitude maximale des vibrations du mode de torsion lorsque l'hydrofoil est immergé dans l'eau à une vitesse d'écoulement nulle. Le shunt à inducteur synthétique a été testé à une vitesse d'écoulement nulle et a permis d'atténuer les vibrations de 31 dB dans l'air et de 21 dB dans l'eau. En plus de l'étude expérimentale, un modèle numérique de l'hydrofoil équipé d'un transducteur piézoélectrique a été mis en œuvre avec COMSOL Multiphysics. Le shunt à inducteur bobiné est adapté aux vibrations de grande amplitude et a été testé sous écoulement. Différents régimes de vibration ont été identifiés : absence de résonance, résonance et accrochage avec le premier mode de torsion. Pour cette configuration, la valeur efficace du signal de vitesse de vibration a été réduite par le shunt de 62 % à l’accrochage. Sous accrochage, le lâché tourbillonnaire de Karman est moins corrélé en phase et un contenu fréquentiel à large bande est introduit lorsque le shunt est activé. En conclusion, les recherches menées dans le cadre de cette étude ont permis de mieux comprendre les mécanismes vibratoires induits par l'écoulement à l’origine de vibrations de forte amplitude et le shunt piézoélectrique résonnant a démontré sa capacité à réduire ces vibrations.