Unité pédagogique

Mécanique des fluides et transferts

Derniere édition le: 05/07/2024

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Responsable:

LAVALLE Gianluca

Description générale :

Les connaissances de mécanique des fluides et transferts sont utiles dans de nombreux domaines :

• Procédés : turbo-machines (turbine, pompe, compresseur), échangeurs de chaleur, générateurs de vapeur, combustion turbulente, cristallisation industrielle
• Energie : exploration-production (gaz, gaz de schiste, pétrole), stockage de gaz, éolienne, houlomotrice,
• Transports : terrestre (voiture, camion, train), maritime (navire, sous-marins), aéronautique (drones, avions), aérospatial (fusée, missile)
• Santé : écoulements sanguins, micro-fluidique, lab-on-chip
• Environnement : pollutions (atmosphérique, maritime, fluviale, sous-sols), météorologie, accidents (glissement de terrain, tsunami), hydro-géologie

Ce cours donne aux étudiants les notions de base de la mécanique des fluides et des transferts. Elles permettent de caractériser, comprendre et prédire les écoulements de fluides dans différents systèmes et de proposer de nouveaux designs plus adaptés. Plus précisément, ce cours présente les notions suivantes, ainsi que les méthodologies permettant de les mettre en pratique :

• Cinématique : approches Lagrangienne et Eulérienne, dérivées partielles et particulaires, décomposition du champ de vitesse (translation, expansion, cisaillement, rotation), tenseur des contraintes, pression. Cette partie permet de décrire un écoulement.
• Bilans locaux : forme générale d’un bilan (accumulation, flux, source), expressions canoniques des bilans de masse (équation de continuité), de quantité de mouvement et d’énergie (totale, mécanique, enthalpie, …), conditions aux limites (Dirichlet, Neumann, Robin), théorème de Green-Ostrogradsky. Cette partie permet de calculer un champ local de vitesse, pression, température, concentration.
• Bilans macroscopiques : volumes de contrôle (matériel, imaginaire), théorème de transport de Reynolds, expressions générales des bilans de masse, de quantité de mouvement, d’énergie (totale, mécanique). Cette partie permet de calculer des débits, des forces, des flux de chaleur sur des systèmes de taille finie.
• Analyse dimensionnelle : similitude et théorème de Vaschy-Buckingham, technique de génération de nombres adimensionnés, corrélations classiques en mécanique des fluides. Cette partie permet d'identifier les phénomènes prépondérants, de simplifier des équations ou encore de tirer profit des expériences réalisées sur des maquettes.
• Lois constitutives des fluides et nature des écoulements : équation d’état thermodynamique, comportement rhéologique (newtonien, rhéofluidifiant, ...), nature de l’écoulement (sub/supersonique, laminaire/turbulent, compressible/incompressible), approximations classiques des bilans locaux : équation de Navier-Stokes et ses approximations (notamment fluides visqueux et fluides parfaits), théorèmes d'Euler et de Bernoulli, équation de la chaleur. Cette partie permet d’identifier les équations les plus simples décrivant le comportement d’un fluide réel donné.
• Caisse à outils : calcul tensoriel, rappels mathématiques, méthodologie de résolution de problème, formulaire des bilans locaux dans différents systèmes de coordonnées, …

Mots-clés:

Cinématique Bilans locaux et macroscopiques Analyse dimensionnelle Navier-Stokes et ses approximations

Nombre d’heures à l’emploi du temps:

21

Domaine(s) ou champs disciplinaires:

Energétique Mécanique Chimie, génie des procédés Sciences de la terre

Langue d’enseignement:

Français

Objectifs d’apprentissage:

A la fin de l’unité pédagogique, l’élève sera capable de :	Niveau de taxonomie	Priorité
Identifier la nature de l'écoulement (laminaire/turbulent) et choisir les équations appropriées	2. Comprendre	Essentiel
Calculer la perte de charge dans différentes conditions d'écoulement, dans une conduite	3. Appliquer	Important
Dimensionner une structure ou bien un organe de propulsion à partir d'un bilan de force	3. Appliquer	Essentiel
Utiliser le principe de similitude pour concevoir des maquettes et extrapoler les résultats	3. Appliquer	Essentiel

Modalités d’évaluation des apprentissages:

Part de l'évaluation individuelle			Part de l'évaluation collective
Examen sur table :	65	%	Livrable(s) de projet :		%
Examen oral individuel :		%	Exposé collectif :		%
Exposé individuel :		%	Exercice pratique collectif :		%
Exercice pratique individuel :		%	Rapport collectif :		%
Rapport individuel :	35	%
Autre(s) : %

Programme et contenus:

Type d’activité pédagogique :	Contenu, séquencement et organisation
Cours	Le cours présente des notions nouvelles en mettant l'accent sur l'aspect qualitatif des phénomènes ou des équations. Cela permet de développer le "sens physique", la vue d'ensemble et l'intuition qui caractérisent l'ingénieur. Le cours est complété par un polycopié qui met l'accent sur la rigueur de la méthode scientifique et du raisonnement logique. La promotion est découpée en trois groupes d’environ 45 étudiants, en fonction des filières suivies en classes préparatoires. Les enseignements (contenu et forme) seront donc adaptés en fonction du niveau d’entrée.  L’examen final dure 1h30. Il est individuel. La calculatrice et le polycopié sont les seuls documents autorisés (pas d’énoncés/corrigés de TD ni d’objets connectés).
Travaux Dirigés	Les séances de travaux dirigés sont le moment privilégié pour mettre en pratique les notions présentées en cours. Elles sont l'occasion d'échanges et de discussions avec les encadrants. Ceci est favorisé par les faibles effectifs (une vingtaine d’étudiant par salle) et le travail en petits groupes de 4 étudiants. Chaque séance de travaux dirigés donne lieu à la rédaction d'un compte-rendu par groupe.
Présentation et viste de laboratoire	L’Ecole des Mines Saint-Etienne est un lieu de formation mais aussi de recherche et développement, au service d’industriels qui souhaitent apporter de l’innovation dans leurs outils de production. Après une présentation de quelques activités de recherche conduites à l’EMSE et en lien avec la mécanique des fluides, les élèves visiteront en petits groupes certains laboratoires du centre SPIN et feront connaissance avec le Génie des Procédés.