2020-2021 / MECA0445-2

Heat transfer

Durée

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

Nombre de crédits

 Bachelier en sciences de l'ingénieur, orientation ingénieur civil architecte5 crédits 
 Bachelier en sciences de l'ingénieur, orientation ingénieur civil5 crédits 
 Master : ingénieur civil en aérospatiale, à finalité5 crédits 
 Master : ingénieur civil électromécanicien, à finalité5 crédits 
 Master : ingénieur civil mécanicien, à finalité5 crédits 
 Master : ingénieur civil physicien, à finalité5 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 11 leçons. La matière de chaque leçon 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 leçon a deux composantes. Le cours théorique, donné en anglais par les enseignants, introduit and développe les concepts généraux et leur formulation mathématique. Les résultats théoriques sont discutés en détails et illustrés par des exemples concrets. Cette partie théorique se présente sous la forme de podcasts hebdomadaires que les étudiants doivent visionner à la maison.
Les podcasts sont complétés par un recueil hebdomadaire d'exercices, dans lesquels les concepts théoriques sont appliqués pour résoudre des problèmes pratiques. Ils incluent des exercices courts consistant à appliquer directement des formules, des exercices plus complexes et des exercices supplémentaires recommandés. Les solutions finales ou des solutions détaillées sont fournies selon le type d'exercice. 
Afin d'assurer une interaction suffisante entre les étudiants et les enseignants, une discussion informelle est organisée les lundis matin à 9h00 dans la salle du cours et/ou par vidéoconférence, durant laquelle les étudiants peuvent poser des questions. La première partie de cette discussion est dirigée par les enseignants et se focalise sur les aspects théoriques; dans la deuxième partie les exercices sont discutés avec les assistants du cours.
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, à distance, hybride)

Suite à la situation sanitaire, le cours est offert principalement en enseignement à distance.
Les leçons théoriques sont sous la forme de podcasts hebdomadaires, que les étudiants doivent visionner à la maison. Les recueils d'exercices sont aussi postés chaque semaine sur le site web du cours. Il est attendu des étudiants qu'ils résolvent les exercices par eux-mêmes. La solution est distribuée une semaine plus tard. Néanmoins, un forum est disponible aux étudiants afin qu'ils puissent poser des questions sur la théorie, les exercices et les devoirs.
Une aide supplémentaire est offerte lors des discussions informelles chaque lundi à 9h00. Afin d'assurer une distanciation sociale suffisante, la classe est divisée en deux groupes. Chaque semaine alternativement un des deux groupes participe à cette discussion en personne (présentiel), l'autre groupe peut suivre la discussion par vidéoconférence.
Suivant l'évolution de la situation sanitaire, le cours pourrait devoir être réorganisé. 

Adaptations organisationnelles liées au contexte sanitaire

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. 
Un exemplaire est disponible pour consultation à la bibliothèque.
Les autres éléments du cours (notes de cours, podcasts, recueil d'exercices, solutions, ...) sont postés chaque semaine sur le site du cours : www.mtfc.uliege.be/Heat-transfer.

Modalités d'évaluation et critères

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

  • Examen final : 80%
  • 3 devoirs personnels : 20%
En 2ème session, la contribution globale des 3 devoirs ne compte que si elle améliore la note finale. Sinon, la note finale ne se compose que de la note de l'examen final de 2ème session.
En fonction de la situation sanitaire, l'examen final est soit
  • [code vert/jaune] un examen écrit, à livre fermé mais avec un résumé des corrélations importantes (tirées de l'ouvrage de référence) fourni, qui inclut typiquement une série de questions courtes et un ou deux exercices plus longs, soit
  • [code orange/rouge] un examen en ligne sur eCampus, à livre ouvert, qui inclut typiquement des questions à choix multiples, des questions à réponses multiples et des questions courtes avec un résultat final numérique

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.
La séance d'introduction a lieu le premier lundi du quadrimestre. Elle est organisée en deux groupes, basés sur la première lettre du nom de famille des étudiants:

  • groupe A => A à L
  • groupe B => M à Z
Les étudiants du groupe A doivent être présents à 8h30 dans la salle de cours, alors que les étudiants du groupe B doivent venir à 9h15. Les mêmes groupes sont définis pour les discussions informelles hebdomadaires. 
En fonction de la situation sanitaire, des changements d'organisation pourraient être nécessaires.

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.
Enseignants:
Prof. Pierre DEWALLEF; Laboratoire de Thermodynamique; B49, R2; +32(0)4 366 9995; p.dewallef@uliege.be
Prof. Vincent E. TERRAPON; MTFC research group; B52, 0/415; +32(0)4 366 9268; vincent.terrapon@uliege.be; http://www.mtfc.uliege.be