2017-2018 / MECA0445-2

Heat transfer

Durée

30h Th, 26h 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 en ingénieur civil en aérospatiale, à finalité5 crédits 
 Master en ingénieur civil électromécanicien, à finalité5 crédits 
 Master en ingénieur civil mécanicien, à finalité5 crédits 
 Master en 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

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:
"Foundations of Heat Transfer" Incropera, Dewitt, Bergman & Lavine 6th edition (International Student Version) John Wiley & Sons ISBN: 978-0-470-64616-8

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 transparents utilisés en cours ne sont pas distribués.

Modalités d'évaluation et critères

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

  • Examen écrit: 80%
  • 3 devoirs personnels (3 x 5%): 15%
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.
L'examen écrit se fait à livre fermé. Le but n'est cependant pas que les étudiants apprennent toutes les correlations par coeur. C'est pourquoi, un receuil de correlations (tirées directement de l'ouvrage de référence) est distribué lors de l'examen.
Les étudiants doivent se munir d'une pièce d'identité officielle pour se présenter à l'examen. Une calculette peut être utilisée, mais tout GSM, tablette, PC ou autre sont interdits. 

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.ulg.ac.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@ulg.ac.be
Prof. Vincent E. TERRAPON; MTFC research group; B52, 0/415; +32(0)4 366 9268; vincent.terrapon@ulg.ac.behttp://www.mtfc.ulg.ac.be