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| Année (Module) : | 3A (A) |
| Professeurs : | David MONFORT, Christophe PENIGUEL, Romain CAMY, Martin FERRAND, Ophélie ANGELINI, Namane MECHITOUA, Michael MONTOUT, Nicolas MERIGOUX |
Ce cours vise à assurer la maîtrise des hypothèses et équations de base en énergétique et à développer les aspects modélisation associés (turbulence, masse volumique variable, convection, conduction).
Ces concepts seront illustrés par des applications industrielles (combustion fossile, environnement, thermoaéraulique, nucléaire, automobile).
Une démarche volontariste de la part des élèves-ingénieurs sera nécessaire pour mettre en œuvre les acquis dans des bureaux d’études (thermique à flamme, nucléaire, automobile, aéraulique) et dans un mini projet de dimensionnement (diphasique/monophasique) en utilisant des outils numériques (code de mécanique des fluides, outils de dimensionnement).
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Le cours est constitué de plusieurs parties enseignées par des intervenants différents, spécialistes du domaine.
1/ Une partie fondamentale est placée en début de cours (F. Archambeau, C. Péniguel : écoulements monophasiques, bilans de masse, de quantité de mouvement et d’énergie, écoulements à masse volumique variable, conduction, rayonnement, thermodynamique, turbulence, pertes de charge, méthodes numériques de calcul en volumes finis). Cette partie est un socle permettant de tirer profit des cours ultérieurs, concernant chacun une problématique spécifique.
Plus en détails : les éléments fondamentaux fournis sont les suivants.
· Ecoulements monophasiques et bilans : l’objectif de cette séance est de faire un rappel des équations de transport et de conservation classiques afin de fournir une base aux modules ultérieurs. On s’attache à construire les équations avec tous les termes et à présenter les simplifications communément utilisées
· Thermodynamique : un rappel de thermodynamique générale, permettant de reprendre les concepts classiques de variable extensive, intensive, conservative. Le premier et le second principe sont repris. Une exercice de cycle moteur est proposé afin d’appliquer les éléments vus en cours (centrale de production thermique : étude du circuit primaire avec turbines, condenseur, pompe ; étude de l’échangeur).
· Turbulence : au cours de cette séance, on propose les éléments utiles à l’ingénieur pour la modélisation de la turbulence. En introduction, on rappelle l’origine des effets que les modèles classiques de turbulence cherchent à modéliser. On présente ensuite les différentes catégories de modèles actuels et leur gamme d’utilisation.
· Pertes de charge : cette séance cours propose les éléments utiles à l’ingénieur pour la prise en compte par corrélation des pertes de charges usuelles (pertes de charges régulières et singulières classiques).
· Ecoulements à masse volumique variable : l'objectif de cette séance est de définir un jeu d'équations en mécanique des fluides et thermique prenant en compte la variation de la masse volumique en fonction des variables d'état Température et Pression. Cette approche permet de traiter un certain nombre de problèmes en convection naturelle et l'étude du dimensionnement d'un aéroréfrigérant illustre cette démarche.
· Conduction et rayonnement : la séance permet de rappeler des notions connues sous l'angle de la thermoaéraulique et thermohydraulique, le couplage de tous les modes de transfert de la chaleur sera présenté et des exercices d'application seront réalisés.
· Méthodes numériques de volumes finis : cette séance propose une introduction aux méthodes de volumes finis qui sont utilisées dans la plupart des codes de mécanique des fluides (exemples : STAR-CD, Code_Saturne NEPTUNE_CFD…). L’objectif est de fournir les éléments utiles à l’analyse des calculs réalisés au moyens de tels outils (base des méthodes numériques, hypothèses et limitations).
2/ On aborde ensuite la problématique des transferts d’énergie dans le bâtiment au travers d’exemples précis (C. Péniguel, T. Duforestel : climatisation, pompes à chaleur, conception des enveloppes thermiques du bâtiment) : la maîtrise des concepts généraux de mécanique des fluides et de thermique est nécessaire, en particulier conduction, rayonnement, écoulements à masse volumique variable, en convection naturelle ou mixte.
Plus en détails : les éléments fournis sont les suivants.
· Thermoaéraulique appliquée : introduction à la thermoaéraulique appliquée, ordre de grandeur, choix du système d'équations, convection forcée, naturelle, mixte, modélisation. Des applications tirées de l'industrie seront présentées.
· Conception des enveloppes thermiques du bâtiment : problématiques d’isolation et de transferts thermique et hydriques dans les matériaux.
3/ Trois parties sont dédiées aux transferts thermiques dans les écoulements réactifs : la modélisation fine des écoulements réactifs et l’impact environnemental associé à la production d’énergie à partir de combustibles fossiles (N. Méchitoua, P. Plion, V. Arrondel), le cas particulier de la modélisation des incendies et son importance dans la sûreté nucléaire (L. Gay), la modélisation des transferts thermiques dans les moteurs (T. Jaine). Ces trois parties s’appuient également sur les concepts généraux (1/) et en particulier sur les aspects rayonnement. Leur complémentarité fait la richesse de l’ensemble : elles permettent de présenter des approches différentes du traitement des transferts thermiques dans les écoulements réactifs, adaptées à des besoins particuliers. Ainsi, pour la prédiction des polluants issus des centrales thermiques, c’est une modélisation locale qui fournit des éléments permettant de renseigner des modèles de chimie fine ; pour le traitement des incendies dans la sûreté nucléaire, c’est une approche zonale qui est utilisée, avec une physique spécifique aux feux ; enfin, pour la thermique des moteurs, c’est une approche système qui permet de répondre aux besoins de l’ingénierie.
Plus en détails :
· modélisation fine des écoulements réactifs et l’impact environnemental associé :
o présentation d’un modèle d’équations permettant de traiter la thermoaéraulique et l’aspect réactif de la combustion pour une flamme simple de diffusion turbulente, illustré par des exercices
o lien entre le modèle de flamme de diffusion et les impacts environnementaux des polluants en présentant :
§ les sciences naturelles du charbon (origines, analyses standard) ;
§ les enjeux économiques (réserve, puissance actuelle, moyens entrants, la problématique du CO2) ;
§ phénoménologie de la combustion diphasique et modélisation correspondante ;
§ la prise en compte de la formation des polluants (NOx, SOx, particules) ;
o impacts environnementaux des polluants (traitement des fumées, enjeux pour le parc de centrales thermique à flamme).
· le cours de sciences de l'ingénieur en incendie est une introduction à la sûreté incendie, dédiée chez EDF principalement à ses installations nucléaires. Les objectifs de la formation sont :
o faire connaître l'incendie, sa phénoménologie (combustion, thermique, aéraulique), les différents types de feu, son développement, ses conséquences, sa prédiction à l'aide de la modélisation (de la corrélation au code de calcul), en vue de sa prévention et de la maîtrise de ce risque ;
o réaliser un tour d'horizon des connaissances dans le domaine de l'incendie (renvoi à la littérature scientifique) ;
o utiliser le code MAGIC (EDF) dans le cadre d'une étude de risque incendie.
· le cours portant sur la thermique moteur permet d’appréhender l’impact thermique de la combustion dans les moteurs et s’appuie sur une approche système de la modélisation.
4/ Une partie est consacrée aux transferts thermiques dans les écoulements eau-vapeur (M. Boucker, S. Pitot) ; il s’agit d’une thématique primordiale pour l’industrie nucléaire, le fluide caloporteur étant aujourd’hui très majoritairement de l’eau. On présente les phénomènes importants liés à l’ébullition et au changement de phase et plus particulièrement les implications pour les centrales à eau sous pression. Cette partie bénéficie des concepts généraux présentés en début de cours (1/).
Plus en détails : le cours d'introduction à la modélisation des écoulements diphasiques appliqués aux réacteurs nucléaires, sur 2 séances, comprend essentiellement 3 parties :
· un rappel sur le fonctionnement d'une centrale nucléaire de production d'électricité à eau pressurisée. Ceci permet de passer en revue les principaux composants du réacteur et leur caractéristiques thermohydrauliques, en liaison avec les deux autres parties ;
· la description de la physique des écoulements diphasiques ayant lieu dans les circuits des centrales en situation normale ou accidentelle ; la variété et la complexité spécifique aux écoulements diphasiques est mise en exergue ;
· des éléments de modélisation mathématique propres aux écoulements diphasiques (équations de bilans diphasiques)
La moitié du temps est dévolu aux exercices d'application.
5/ En application des cours sont proposés deux projets de modélisation numérique. Le premier porte sur la modélisation des transferts thermiques dans un assemblage combustible de centrale nucléaire à eau sous pression ; l’analyse est conduite avec une approche locale, en utilisant des logiciels de mécanique des fluide numérique (Y. Fournier, C. Le Maître, M. Boucker, J. Laviéville). Le second projet porte sur la thermique d’un moteur ; l’analyse, cette fois, est conduite en utilisant une approche système (T. Jaine).
- 70% : examen oral sur mini projet CFD (monophasique/polyphasique, Code_Saturne/NEPTUNE_CFD) et questions de cours
- 30% : TP numérique de dimensionnement de moteur
Elements de mécanique des fluides.
Analyse numérique.
Production, Dimensionnement, Optimisation, Ingénierie, Sûreté, R&D
Energie, modélisation, CFD, environnement, nucléaire, thermique à flamme, ENR, automobile
Dernière mise à jour: 20/10/2012, par guest
(resp.: cadot)