Heat transfer

Durée

28h Th, 24h Pr, 4h Labo., 9h Proj.

Nombre de crédits

Enseignant

Pierre Dewallef, Vincent Terrapon

Langue(s) de l'unité d'enseignement

Langue anglaise

Organisation et évaluation

Enseignement au deuxième quadrimestre

Horaire

Horaire en ligne

Unités d'enseignement prérequises et corequises

Les unités prérequises ou corequises sont présentées au sein de chaque programme

Contenus de l'unité d'enseignement

Les transferts d'énergie sous forme de chaleur jouent un rôle primordial, non seulement dans les applications techniques (production d'énergie, motorisation et propulsion, refroidissement des composants électroniques, thermique des bâtiments, ...), mais aussi dans la vie de tous les jours (climat et météorologie, cuisine, corps humain, ...). Il est pratiquement impossible de trouver des exemples où les transferts de chaleur n'interviennent pas. Ils sont aussi directement liés aux problématiques actuelles de l'énergie et de l'environnement. Les transferts de chaleur représentent donc une matière incontournable de la formation d'ingénieur et d'ingénieur architecte.
Les tranferts de chaleur représentent le transfert d'énergie thermique d'un corps chaud vers un corps plus froid. L'objectif du cours est donc de relier quantitativement les flux de chaleur aux gradients de température.
Il existe trois principaux modes de transfert de chaleur: la conduction, la convection et la radiation. Le cours traite tout d'abord séparément chaque mode de transfert, puis les transferts multimodes. Pour chaque mode, les processus physiques sous-jacents sont décrits et des lois quantitatives sont développées. Les concepts théoriques sont illustrés à l'aide de nombreux exemples pratiques de la vie de tous les jours. 
En particulier, les sujets suivants sont traités:

• Origine physique des différents modes de transferts de chaleurs (conduction, convection et radiation) et définitions des concepts clés (flux, chaleur, température...), équations de conservation, relation avec la thermodynamique, méthodologie générale de résolution.
• Conduction: loi de Fourier, équation de diffusion de la chaleur (1D, 2D, instationnaire), facteur de forme, analogie avec les circuits électriques.
• Convection: couche limite de vitesse et de température, coefficient de convection, nombre de Nusselt, écoulements laminaires et turbulents, convection naturelle et forcée, écoulement internes et externes
• Evaporation et condensation: point critique, ébullition nucléée, condensation en film
• Echangeurs de chaleur: analyse des différents types (parallèle, contre-courant) et définition des paramètres de performances (nombre d'unités de transfert NUT, différence de température moyenne logarithmique)
• Radiation: émission, irradiation, corps noir, surface grise, surfaces réelles, facteur de vue
• Modes de transferts de chaleur mixtes

Acquis d'apprentissage (objectifs d'apprentissage) de l'unité d'enseignement

A la fin du cours, les étudiants devraient être capable de quantifier les transferts de chaleur pour un grand nombre d'applications pratiques. Ceci inclut les compétences suivantes:

• décomposer le problème en différents sous-problèmes
• identifier les modes principaux de transferts de chaleur présents
• évaluer les nombres adimensionnels qui caractérisent les différents modes de transferts de chaleur
• relier les nombres adimensionnels à la physique
• sélectionner and appliquer les principes de conservation et les lois constitutives adéquates
• identifier les correlations empiriques appropriées
• utiliser les méthodes adéquates de résolution et quantifier les transferts de chaleur et/ou les températures
• analyser de façon critique et discuter les résultats

Savoirs et compétences prérequis

Pour suivre efficacement ce cours, il est préférable de posséder des bases de thermodynamique (tel que le cours "Eléments de Thermodynamique" CHIM0286) ainsi que des bases de mathématiques (par exemple le cours "Analyse mathématique II" MATH0007).

Activités d'apprentissage prévues et méthodes d'enseignement

Le cours est divisé en 13 séances qui ont lieu tous les lundi matins. La matière de chaque séance correspond à un ou deux chapitres de l'ouvrage de référence, couvrant successivement les trois grandes parties du cours: la conduction, la convection et la radiation. 
Chaque séance est typiquement divisée en deux parties. La deuxième partie, donnée en anglais par les enseignants, correspond au cours théorique où les concepts généraux et leur formulation mathématique sont exposés. Les résultats théoriques sont discutés en détails et illustrés par des exemples concrets.
Le cours théorique est précédé d'une session d'exercices de deux heures, durant laquelle les étudiants sont invités à mettre en œuvre les techniques exposées au cours théorique de la semaine précédente pour résoudre des problèmes pratiques. Cette session est dirigée par les assistants du cours, et se fait en plus petits groupes, soit en français, soit en anglais.
La dernière séance du cours est dédiée à la résolution d'exercices plus complexes où différents modes de transfert de chaleur sont présents. Elle sert aussi de séances de questions/réponses en vue de l'examen.
Les activités d'apprentissage incluent aussi trois devoirs (à la fin de chaque partie du cours) à faire individuellement à la maison. Ces devoirs sont évalués et comptent pour la note finale. Leur but est à la fois d'assurer un apprentissage continu de la matière, de permettre aux étudiants de s'évaluer, et d'aider les enseignants à identifier les difficultés rencontrées par les étudiants.
Un calendrier détaillé de la matière et des dates limites sera présenté durant le premier cours et distribué électroniquement à tous les étudiants inscrits.

Mode d'enseignement (présentiel ; enseignement à distance)

Le cours théorique et les sessions d'exercices sont en présentiel.
Le cours théorique est donné en anglais, et les séances d'exercices sont en français ou en anglais, au choix de l'étudiant.

Lectures recommandées ou obligatoires et notes de cours

L'ouvrage de référence obligatoire est:
"Incropera's Principles of Heat and Mass Transfer" Incropera, Dewitt, Bergman & Lavine Global Edition John Wiley & Sons (2017) ISBN: 978-1-119-38291-1

Cet ouvrage est une des meilleures références didactiques sur les transferts de chaleur. Il est en anglais, ce qui permet aux étudiants de se familiariser avec les termes techniques anglais. De plus de nombreux exemples pratiques sont étudiés et un grand nombre d'exercices supplémentaires sont proposés pour permettre aux étudiants de se perfectionner. Le cours suit très fidèlement ce texte.
Il peut être obtenu

• par la Centrale des Cours (veuillez réserver votre exemplaire à l'avance),
• dans différentes librairies (il est peut-être nécessaire de le commander),
• en version électronique (e-book) sur le site internet de l'éditeur. 

Modalités d'évaluation et critères

En 1ère session, la note finale du cours se compose de 2 contributions:

• Examen écrit : 80%
• 3 devoirs personnels : 20%

Stage(s)

Remarques organisationnelles

Le cours est donné conjointement par le Prof. Dewallef et le Prof. Terrapon. L'horaire exacte et les dates de remise des devoirs sont communiqués lors de la première séance de cours.
Le cours théorique est donné en anglais et les séances d'exercices sont en français et en anglais.

Contacts

Les étudiants sont encouragés à interagir activement avec les professeurs, aussi en dehors des heures de cours. Il est vivement conseillé de prendre rendez-vous. Pour les questions concernant les sessions d'exercices et le laboratoire, les étudiants peuvent s'adresser directement aux assistants.
Il est demandé aux étudiants de suivre quelques règles de base lors de leurs communications par courriel: 

• Indiquer comme sujet "MECA0445: ...".
• N'utiliser que les adresses ULg (xxx@student.uliege.be).
• Toujours adresser les courriels aux deux enseignants (ou à tous les assistants) et non un seul.
• Suivre les règles élémentaires de politesse.

Adaptation des engagements pédagogiques suite à la pandémie de COVID-19 pour la session de mai-juin

Méthodes d'apprentissage mises en œuvre : enseignement à distance

Lectures are provided in the form of podcasts that can be downloaded from the course website.
A detailed solution of the problem sets and homework that are normally discussed in exercise sessions are distributed through the course website. 
Three forums are available on e-campus to ask questions regarding the lectures, problem sets and homework. 

Matière de l'évaluation

The assessment will cover the chapters 1 to 13 of the reference textbook, excluding parts on mass transfer, as detailed in the document "course content" available on the course website since the week 1.

Méthodes d'évaluation

The assessment will be based on an open-book written exam to be done individually at home on e-campus. The exam will include short theory questions (multiple choice questions, multiple choice answers, short numerical answers, ...) and some longer questions requiring a handwritten solution on paper that must be photographed and uploaded. The duration of the exam will be maximum four hours. 

Contact

The best way to contact us is through the forums. 
Students can also contact the instructors or the course assistants over email. Just remember to

• indicate as subject "MECA0445: ...",
• only use ULg addresses (xxx@student.uliege.be),
• always address emails to both lecturers (or to all the assistants) and not only to one,
• follow the elementary rules of politeness.

Adaptation des engagements pédagogiques suite à la pandémie de COVID-19 pour la session août-sept

Matière de l'évaluation

The assessment will cover the chapters 1 to 13 of the reference textbook, excluding parts on mass transfer, as detailed in the document "course content" available on the course website since the week 1.

Méthodes d'évaluation (et plateforme utilisée)

The assessment will be based on an open-book written exam to be done individually at home on eCampus. The exam will include short theory questions (multiple choice questions, multiple choice answers, short numerical answers, ...). The duration of the exam will be maximum four hours. 

Contact(s)

The best way to contact us is through the forums. 
Students can also contact the instructors or the course assistants over email. Just remember to

• indicate as subject "MECA0445: ...",
• only use ULg addresses (xxx@student.uliege.be),
• always address emails to both lecturers (or to all the assistants) and not only to one,
• follow the elementary rules of politeness.