La croissance démographique et le développement de l’espèce humaine impliquent une croissance des besoins en énergie qui devient difficile à satisfaire dans une optique de développement durable, respectueuse de notre environnement. A cette crise énergétique et environnementale se rajoute une crise financière et économique, voire sociétale, liée notamment à la mondialisation, qui ne fait que renforcer l’atmosphère de compétition globale dans laquelle les jeunes ingénieurs évoluent. Dans ce contexte il semble clair, d’une part que les secteurs de l’énergie au sens large (production, transformation, transport…), non délocalisables, et importants pour les échanges, vont conserver leur dynamisme actuel, d’autre part que les meilleurs atouts de l’industrie européenne (voire occidentale) de ces secteurs se trouvent du côté de la recherche & innovation. De fait, de nombreux ingénieurs commencent par un ou deux postes en recherche & développement & études, avant d’évoluer, éventuellement, vers des postes de « managers ». Leur passage du côté de la technique donne alors des «managers» plus au fait des enjeux technologiques, donc plus efficaces.
Le département Energie : Production, Transformation propose justement une formation ciblant la recherche & développement & études dans les domaines de l’énergie au sens large. Les applications visées sont la production d’énergie (centrales de différents types – conventionnelles : nucléaire, thermique, mais aussi à partir d’énergies renouvelables : hydraulique, solaire, etc. – et différentes échelles) et sa transformation (combustion, propulsion, etc.). Cette orientation marquée vers la R&D n’exclut pas des débouchés en exploitation (qui peut le plus peut le moins) ou « management » (à condition d’être un peu patient comme on vient de l’expliquer).
Dans un premier temps, en deuxième année, l’accent est mis sur l’acquisition de compétences de base en modélisation en mécanique des fluides et thermique. La résolution des modèles obtenus se fait dans certains cas analytiquement ; elle passe aussi par l’outil informatique i.e. par du calcul formel (parfois) ou numérique (le plus souvent). Le logiciel Mathematica est ainsi présenté aux élèves, via des TP d’initiation au début de l’année, et utilisé par la suite lorsde certains TD, comme prototyped’outillogiciel utilisé en R&D. De plus un module sur les méthodes et codes numériques est proposé dès le premier semestre de la deuxième année, lors duquel les algorithmes mis au point sont programmés sur Mathematica.
Toujours concernant les bases, un module de génie électrique est proposé, dans le but notamment de présenter les convertisseurs, incontournables dès lors que de l’énergie électrique est présente.
Au deuxième semestre de la deuxième année, un cycle plus spécialisé propose un module sur les turbomachines et un module sur les systèmes énergétiques.
En troisième année sont proposés six modules d’approfondissement, sur l’usage de codes de simulation industriels, sur la combustion dans le contexte des turboréacteurs et de l’aéronautique (module double), sur les écoulements en milieux poreux avec applications aux réservoirs d’énergie, sur les systèmes fluides pour les centrales nucléaires, et enfin sur l’analyse comparée et l’optimisation des différentes filières énergétiques. Ce dernier module comporte une initiation aux problématiques du calcul des coûts économiques et des impacts environnementaux.
Un module électif est aussi proposé en troisième année, avec des collègues d’autres départements, sur la « filière nucléaire ».
Plusieurs projets et mini-projets, ainsi que des travaux pratiques lors du séminaire à mi- parcours en deuxième année (TP effectués à l’ENSEM, en partie sur la plateforme « Energie »), permettent aux élèves de mettre en œuvre les compétences théoriques acquises durant les modules, de les confronter à la réalité, et d’acquérir des compétences supplémentaires.
PARCOURS ENERGIE: PRODUCTION, TRANSFORMATION
Enseignants
Les membres permanents du département sont : Mathieu JENNY Maître de Conférences Emmanuel PLAUT Professeur
Vincent SCHICK Maître de conférences Philippe SESSIECQ Maître de conférences
De nombreux enseignants-chercheurs du LEMTA, des ingénieurs de la SNECMA (groupe SAFRAN), d’AREVA et d’EDF R&D, un professeur de Mines ParisTech sont impliqués dans certains modules. En sus quelques conférences sont organisées, impliquant des membres de l’Institut Jean Lamour (IJL) ou des extérieurs.
Parcours - Energie : Production, Transformation
Semestre S7 Semestre S8 Semestre S9
Mécanique des fluides I et II Transferts thermiques I et II Méthodes numériques pour la mécanique-énergétique
Eléments de base du génie électrique Machines à fluides – Turbomachines Systèmes énergétiques
Projet scientifique
Codes numériques pour la résolution de problèmes de l’ingénieur
Combustion appliquée aux turboréacteurs I et II
Ecoulements en milieu poreux -Applications aux réservoirs Génie nucléaire : Systèmes fluides pour les REP
Analyse comparée des filières énergétiques - Stratégies énergétiques Projet scientifique et technologique
Site web du département :
http://www.mines-nancy.univ-lorraine.fr/energie
PARCOURS ENERGIE: PRODUCTION, TRANSFORMATION
Responsable(s)p
#rpCoordonnées:
Crédits ECTS : Durée:
Mots clés : Pré requis:
;j[i#Y'¢8¢lhkY
l;'lh44SY[Y;8[8`S
Les principales démarches de modélisation et les principaux modèles de la mécanique des fluides sont introduits.
On insiste à la fois sur les calculs et sur l'interprétation physique. Pour ce qui est des calculs, afin d'aller plus loin que ce que permettent des calculs à la main, on utilise lors des TD le logiciel Mathematica en calcul formel et numérique ; les élèves sont initiés à Mathematica grâce à un demi - module en début de semestre. Le sens physique est développé via l'analyse de la structure des champs de vitesse, de pression, et de contrainte, le plus souvent, représentés graphiquement.
1. Retour sur les bases de la modélisation en mécanique des fluides : limites du modèle du milieu continu ; loi de comportement, avec des éléments sur les fluides visqueux compressibles ; équation de Navier - Stokes et
conditions limites ; bilans locaux et globaux, pertes de charge, jusqu'aux bilans d'énergie interne.
2. Modèle du fluide parfait et applications : théorie des écoulements potentiels, utilisation de potentiels complexes, éléments sur les transformations conformes, applications à l'aérodynamique (modèle d'aile d'avion) ; conditions à une interface et effets de tension superficielle ; initiation à la théorie des instabilités ; ondes interfaciales ;
instabilités de Kelvin - Helmholtz & Rayleigh - Taylor ; effets de compressibilité : ondes sonores, introduction à l'acoustique.
3. Écoulements de Stokes : équation de Stokes ; propriétés générales (linéarité, réversibilité, unicité, principe du minimum de dissipation) ; application à la sédimentation (établissement de la formule de Stokes, ...).
4. Couches limites : équations de Prandtl ; couche limite de Blasius ; couches limites de Falkner - Skan, en lien avec le problème aérodynamique du décollement - décrochement.
5. Turbulence : phénoménologie, hypothèse de Taylor, éléments sur la théorie de Kolmogorov, échelles, cascade et spectre ; décomposition et équations de Reynolds ; modèles de fermeture : Boussinesq, Prandtl, modèle K - epsilon ; lois de paroi.
Le programme du module, les hyperdocuments de cours - TD, des animations vidéo et des annales sont disponibles sur la page
www.mines-nancy.univ-lorraine.fr/emmanuel.plaut/mf .
Les documents de cours - TD contiennent de nombreuses références à des articles de recherche, et de tels articles sont distribués lors d'un cours, pour les élèves qui désireraient approfondir leur compréhension de la
phénoménologie de la turbulence.
L'évaluation a lieu, essentiellement, via un test à mi-parcours et un test final. Cependant, le comportement en TD et la qualité d'éventuelles rédactions de TD, en cas d'absence, sont aussi pris en compte. Un ou deux travaux pratiques associés à ce module (aérodynamique d'un profil d'aile, étude d'une couche limite, etc...) sont enfin réalisés lors du séminaire à mi-parcours du département.
4
Mécanique des milieux continus, fluides
45h tests compris
Calcul tensoriel, mécanique des milieux continus généraleEmmanuel Plaut, Professeur emmanuel.plaut@univ-lorraine.fr
Mécanique des fluides S7
SE131-132 - 6ICE171
Acquérir des bases solides en mécanique des fluides pour la recherche ou l'ingénierie
PARCOURS ENERGIE: PRODUCTION, TRANSFORMATION
ÙKGG>r#p
ÙKCT#G#
×TT]w#
×Gj#
jGr:$rj#
ÌÊÓÕÎÙÎÔÌÎØ
Û}w#
ãßëÛ×êí ÚÛèÙçßåéßäãp#rp}# #jpKT$rKGG#j
S7
1. Retour sur les bases de la modélisation en mécanique des fluides : comprendre les grandes lois et équations de la mécanique des fluides ; en particulier dans l'équation de Navier - Stokes comprendre la physique des différents termes (inertiels, visqueux diffusifs, de pression) ; être capable de les utiliser pour calculer, en étant guidé, et analyser physiquement des écoulements, soit de façon locale (cas d'écoulements possédant des symétries) à l'aide de l'équation de Navier - Stokes, soit de façon globale à l'aide de bilans de quantité de mouvement ou pertes de charge.
2. Modèle du fluide parfait et applications : savoir développer en étant guidé un modèle d'écoulement(s) potentiel(s) permettant de décrire des effets aérodynamiques pertinents, par exemple concernant la sustentation des avions ou le plaquage au sol des voitures de course ; comprendre les effets de tension superficielle et savoir les calculer ; savoir linéariser un modèle d'écoulements et mener à bien une analyse linéaire de stabilité ; connaître et comprendre les ondes interfaciales, les instabilités de Kelvin - Helmholtz et Rayleigh - Taylor ; connaître et comprendre les grands principes de l'acoustique.
3. Écoulements de Stokes : comprendre la physique des écoulements de Stokes, les conditions de validité de ce modèle (critère portant notamment sur le nombre de Reynolds); savoir l'appliquer en étant guidé.
4. Couches limites : comprendre la physique des couches limites, notamment en présence d'un gradient de pression longitudinal, en lien avec le problème du décollement - décrochement ; connaître et comprendre le modèle de Prandtl et savoir l'appliquer.
5. Turbulence : connaître la phénoménologie de la turbulence et de son déclenchement, i.e. le problème de la transition laminaire -> turbulent ; être capable d'estimer diverses échelles caractéristiques en se basant sur l'approche de Kolmogorov ; connaître et comprendre les méthodes de modélisation basées sur la décomposition de Reynolds ; savoir utiliser des modèles type Boussinesq, Prandtl ou K - epsilon, pour les appliquer, en étant guidé, à des systèmes fluides relativement simples car possédant des symétries.
6. Compétence transverse : savoir utiliser Mathematica pour représenter graphiquement et analyser des champs scalaires et vectoriels, pour effectuer des calculs formels sur des équations de la mécanique des fluides, pour résoudre numériquement des systèmes d'équations différentielles ordinaires issus de la mécanique des fluides, éventuellement avec des conditions limites aux deux bornes à l'aide d'une méthode de tir.
De manière plus générale et idéale, à la fin de ce module, les meilleurs élèves, confrontés à un problème de mécanique des fluides réel, devraient être capables d'estimer le régime d'écoulements qui a lieu, et, en conséquence, de choisir quels modèles simplifiés pourraient être pertinents et permettre une estimation - compréhension de certains effets - certaines caractéristiques de l'écoulement, soit analytiquement soit numériquement... en utilisant, typiquement, dans ce dernier cas, un code de calcul « professionnel ». Ces codes seront introduits dans les modules SE135 et, surtout, SE151. Si une telle estimation était impossible dans le cas complexe étudié, ils devraient au moins être capable d'estimer certains ordres de grandeur pour évaluer la plausibilité de résultats numériques obtenus par un code, par exemple, voire d'imaginer des cas limites simples permettant de valider un tel code par rapport à des situations « connues », i.e. calculables analytiquement ou étudiées dans la littérature.