CMI H3E 4ème année Parcours ITE

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Acoustique : définitions, propagation en milieux ouvert et en milieu fermé, application aux bâtiments et aux machines, techniques d'atténuation. Vibrations : discrétisation d'une structure fréquences et modes de vibrations, vibrations des poutres, application aux machines tournantes, isolation, analyse spectrale, défauts, équilibrage, maintenance prédictive.

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Ce cours aborde les principes fondamentaux des cycles des machines frigorifiques et pompes à chaleur

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Architectures des moteurs thermiques à combustion interne, des pompes et moteurs hydrauliques à pistons axiaux et radiaux, des compresseurs pneumatiques. Aspect dynamique : équilibrage des efforts. Aspect technologique : critères de conception, modèles de pression de contact dans une liaison mécanique, pression de mattage, échauffement et grippage.

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Historique de la combustion (combustion lente, combustion vive, oxydo-réduction, utilisation). Phénoménologie de la combustion et propriétés (flammes de diffusion et de prémélange, le triangle du feu, combustibles liquides et solides, différents types d'oxydation, auto inflammation, loi de le Chatelier). Les carburants. Thermodynamique de la combustion et de la flamme (énergie d'activation, pouvoir calorifique, point éclair, (P, T, V) de combustion et richesse, déflagration et détonation, chimiluminescence, risques, autres oxydants que l'air). Cinétique chimique. Polluants et émissions. Application de la combustion au fonctionnement des turbines gaz.

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NUCLEAIRE

Centrale nucléaire : historique, principe de fonctionnement et éléments d'une centrale nucléaire. Chaine de production de l'électricité : cuve nucléaire, circuit primaire, générateur de vapeur, circuit secondaire, couplage turbine vapeur et alternateur. Elements de physique nucléaire : propriétés nucléaires de base, masse, charge, moment angulaire du noyau, propriétés dynamiques, l'onde de DE BROGLIE, équation de SCHRÖDINGER et cas d'application, énergie nucléaire de liaison, niveaux d'énergie des noyaux, désintégrations radioactives (alpha, béta), les différentes réactions nucléaires, les sections efficaces, la fission...Éléments de métallurgie nucléaire. 

ENERGIE HYDROGENE

historique, composition, utilisation de l'hydrogène, hydrogène comme vecteur énergétique, les différentes applications, PEM en particulier. Le stockage, la combustion de l'H₂, l'oxydation dans les PEM, les risques inhérents à l'hydrogène, les procédés de fabrication, la politique actuelle et ses évolutions dans le domaine.

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Ce cours s'intéresse aux turbomachines de type compresseurs et turbines industrielles

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Formation sur les logiciels par Eléments Finis multiphysique COMSOL et FLUENT (Mécanique des Fluides laminaire et turbulente). Définition de la géométrie étudiée et définition des paramètres d'étude (paramètres thermophysiques et conditions aux limites). Maillage et optimisation. Résolution et optimisation. Exploitation des résultats. Etude de cas concrets en régimes permanents et transitoires. Cas particuliers d'études de couplage de problèmes (ex thermofluidiques, thermoélectriques....)

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Introduction à la classification des équations aux dérivées partielles utilisées en thermique et mécanique des fluides: méthode des caractéristiques.
Paramètres nécessaires à la résolution: domaine, conditions aux limites
Méthodes des différences finies: choix d'une méthode adaptée au problème physique à traiter: méthode de Crank-Nicolson, méthode des directions alternées.

Méthode des volumes finis: domaine d'application, description de la méthode pour les équations de la dynamique des fluides. Choix des options présentes dans les outils de CFD permettant l'optimisation des simulations

1. Introduction à l'optimisation

• Formulation d'un problème d'optimisation
• Exemple de programmation linéaire
• Les minimums locaux et globaux

2. Méthodes d'optimisation

• 1D : Elimination d'intervalles, méthode de Powell, méthode de Newton-Raphson
• ND : méthode du Simplex, méthode de Newton-Raphson, méthode des gradients conjugués, Algorithme de Davidon-Fletcher-Powell (DFP), Algorithme de Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS)

3. Résolution d'EDP - approche matricielle

• Discrétisation de l'espace et du temps
• Relation vectorielle,  Représentation matricielle
• Formulation explicite,  Formulation implicite,   Analyse de stabilité

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Handling a CFD tool

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• Phénoménologie des écoulements en vue de décrire les efforts aérodynamiques qu'exercent un fluide en mouvement sur un corps immergé dans le fluide.
  • Description de la portance et de la traînée.
  • Traduction des efforts aérodynamique sur une structure en coefficients aérodynamiques.
  • Diagrammes de polaires liant les coefficients aérodynamiques.
• Description des écoulements compressibles.
  • Reprise des équations de mécanique des fluides et de thermodynamique pour application à des écoulements compressibles.
  • Illustration des écoulements compressibles dans les cas mono-dimensionnels (fluide parfait, avec frottement, avec chauffage, avec changement de section...).
  • Calculs de grandeurs d'intérêt (pression, vitesse, échange thermique...) dans les écoulements compressibles et description des ondes de choc.
  • Applications des écoulements compressibles dans les tuyères.
• Description des phénomènes de turbulence dans les écoulements.
  • Conséquences de la turbulence dans les écoulements et sur les transferts thermiques.
  • Principe de la modélisation de la turbulence (traitement statistique des équations de transport, modèles de fermeture).
  • Introduction aux différents modèles de turbulence usuellement utilisés en simulation numérique CFD en détaillant leur concept, spécificités points forts et limites.

Illustrations des divers phénomènes sous forme de TP : souffleries, banc de mesure optique, TP numériques

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Flow phenomenology to describe the aerodynamic forces exerted by a moving fluid on a body immersed in the fluid.

• Description of lift and drag.
  • Translation of aerodynamic forces on a structure into aerodynamic coefficients.
  • Polar diagrams linking aerodynamic coefficients.
• Description of compressible flows.
  • Review of fluid mechanics and thermodynamics equations for application to compressible flows.
  • Illustration of compressible flows in one-dimensional cases (perfect fluid, with friction, with heating, with section change, etc.).
  • Calculation of variables of interest (pressure, velocity, heat exchange, etc.) in compressible flows and description of shock waves.
  • Applications of compressible flows in nozzles.
• Description of turbulence phenomena in flows.
  • Consequences of turbulence in flows and on heat transfer.
  • Principles of turbulence modelling (statistical treatment of transport equations, closure models).
  • Introduction to the different turbulence models commonly used in CFD numerical simulation, detailing their concept, specific features, strengths and limitations.

Illustrations of the various phenomena in the form of practical exercises: wind tunnels, optical measurement bench, numerical practical exercises, etc.

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Phénoménologie des écoulements en vue de décrire les efforts aérodynamiques qu'exercent un fluide en mouvement sur un corps immergé dans le fluide.

• Description de la portance et de la traînée.
• Traduction des efforts aérodynamique sur une structure en coefficients aérodynamiques.
• Diagrammes de polaires liant les coefficients aérodynamiques

Description des écoulements compressibles.

• Reprise des équations de mécanique des fluides et de thermodynamique pour application à des écoulements compressibles.
• Illustration des écoulements compressibles dans les cas mono-dimensionnels (fluide parfait, avec frottement, avec chauffage, avec changement de section...).
• Calculs de grandeurs d'intérêt (pression, vitesse, échange thermique...) dans les écoulements compressibles et description des ondes de choc.
• Applications des écoulements compressibles dans les tuyères.

Description des phénomènes de turbulence dans les écoulements.

• Conséquences de la turbulence dans les écoulements et sur les transferts thermiques.
• Principe de la modélisation de la turbulence (traitement statistique des équations de transport, modèles de fermeture).
• Introduction aux différents modèles de turbulence usuellement utilisés en simulation numérique CFD en détaillant leur concept, spécificités points forts et limites

Illustrations des divers phénomènes sous forme de TP : souffleries, banc de mesure optique, TP numériques

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Chapitre 1.  Introduction et rappels : régimes de convection, loi de Newton, gamme des valeurs de h, facteurs intervenant dans le calcul de h, couche limite,  formulation générale, nombre de Nusselt, grandeurs locales et grandeurs moyennes

Chapitre 2. Convection forcée externe  : Couche limite, plaque plane en régime laminaire, résolution des équations de conservation sous les hypothèses de Prandtl, plaque plane en régime turbulent, écoulement autour d'une nappe de tubes

Chapitre 3. Convection forcée interne : régime établi, longueur d'entrée, écoulement laminaire dans un tube, écoulement turbulent dans un tube

Chapitre 4. Convection naturelle :

• Coefficient de dilatation thermique. Poussée d'Archimède. Nombres de Grashof et de Rayleigh 
• Couche limite. Plaques verticales et horizontales
• Cylindres

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Chapter  1. Introduction : convection regimes, Newton's law, range of h values, factors involved in the calculation of h, boundary layer, general formulation, Nusselt number, local quantities and mean quantities

Chapter 2. External forced convection : Boundary layer, flat plate in laminar regime, resolution of conservation equations in the Prandtl hypothesis, flate plate in turbulent regime, flow around a sheet of tubes

Chapter 3. Internal forced convection :  Fully developed flow regime, inlet length, laminar flow in a tube, turbulent flow in a tube

Chapter 4. Natural convection :

• Coefficient of thermal expansion. Buoyancy force. Grashof and Rayleigh numbers 
• Boundary layer. Vertical and horizontal plates 
• Cylinders

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Introduction aux échangeurs de chaleur

• Introduction

  • Principe des échangeurs de chaleur

  • Classification

• Notions fondamentales sur le transfert de chaleur

  • Résistance thermique

  • Ailettes

• Exercices

  • Moteur

  • Pile à combustible

Différence de température moyenne logarithmique

• Bilan énergétique sur un tube unique

  • Bilan énergétique

  • Calculs sur un tube

• Échangeur de chaleur

  • Bilan énergétique global

  • Échangeur de chaleur à flux parallèles

  • Échangeur de chaleur à contre-courant

L'efficacité – Méthode NTU

• Efficacité

  • Définition

  • Échangeur de chaleur à contre-courant idéal

  • Fonction du côté froid ou chaud

• NTU

  • Définition

  • Exemple d'échangeur de chaleur à flux parallèles

  • Conclusion pour l'échangeur de chaleur à flux parallèles

  • Expressions pour divers types d'échangeurs de chaleur

Grilles d'échangeurs de chaleur

• Introduction

• Architecture en série

  • Architecture ?

  • Rapport de température

  • Efficacité

  • NTU

• Architecture parallèle-série

  • Fluide froid en parallèle et fluide chaud en série

  • Fluide chaud en parallèle et fluide froid en série

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Introduction to Heat Exchangers

• Introduction
  • Heat Exchanger Principles
  • Classification

• Fundamentals of Heat Transfer

  • Thermal Resistance

  • Fins

• Exercises

  • Engine

  • Fuel Cell

Logarithmic Mean Temperature Difference (LMTD)

• Energy Balance on a Single Tube
  • Energy Balance
  • Calculations for a Single Tube

• Heat Exchanger

  • Overall Energy Balance

  • Parallel Flow Heat Exchanger

  • Counter-flow Heat Exchanger

The Effectiveness – NTU Method

• Effectiveness
  • Definition
  • Ideal Counter-flow Heat Exchanger
  • Function of the Cold or Hot Side

• NTU

  • Definition

  • Parallel Flow Heat Exchanger Example

  • Conclusion for Parallel Flow Heat Exchangers

  • Expressions for Various Types of Heat Exchangers

Heat Exchanger Networks

• Introduction

• Series Architecture

  • Architecture?

  • Temperature Ratio

  • Effectiveness

  • NTU

• Parallel-Series Architecture

  • Cold Fluid in Parallel and Hot Fluid in Series

  • Hot Fluid in Parallel and Cold Fluid in Series

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This course consists of 2 parts: 1) Two-phase heat transfer, 2) Matter transfer

1) Two-phase heat transfer 6CM, 4TD, 4TP

• introduction to the physical mechanisms of phase change
• boiling: Nukyama curve, nucleate and film boiling, critical flows, two-phase flows
• condensation: physical mechanisms, laminar and turbulent condensation, flat-plate and tube condensation
• heat exchange intensification, examples of two-phase heat exchangers

2) Mass transfer, 6CM, 4TD, 4TP

• Lecture 1: Mass Transfer
      Introduction
          Objectives
          Bibliography
          Review
      Quantifying Energy and Matter
          Mass and Energy Balances
          Mixture of Components
          Flux Density for Binary Mixtures
          Mass Diffusivity or Diffusion Coefficient
      Fluid Flow Problems
          Definitions
          Expression of Mass Fluxes
          Summary
      Transient Regime
          Formulation
          Heat-Mass Analogy
      Exercise

• Lecture 2: Mass Transfer - Boundary Conditions
      Gas/Liquid Equilibrium
          Henry's Law
          Raoult's Law
      Gas/Solid Equilibrium
          Solubility
          Sorption
          Sorption Isotherm
      Boundary Conditions
          Introduction to the Problem
          Continuity of Variables
• Lecture 3: Heat-Mass Analogies
      Boundary Layer Analogy
          Heat Convection/Mass Convection
          Lewis Number
          Synthesis
      Evaporation
          Convection and Evaporation
          Link between Heat and Mass Fluxes
      Thermal-Mass Equivalence

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Ce cours comprend deux parties : 1) Transfert de chaleur diphasique, 2) Transfert de matière

1) Transfert de chaleur diphasique 6 CM, 4 TD, 4 TP

Introduction aux mécanismes physiques du changement de phase
Ébullition : courbe de Nukyama, ébullition nucléée et en film, écoulements critiques, écoulements diphasiques
Condensation : mécanismes physiques, condensation laminaire et turbulente, condensation sur plaque plane et dans un tube
Intensification des échanges thermiques, exemples d'échangeurs de chaleur diphasiques

2) Transfert de masse, 6CM, 4TD, 4TP

Cours 1 : Transfert de masse
    Introduction
        Objectifs
        Bibliographie
        Révision
    Quantification de l'énergie et de la matière
        Bilans de masse et d'énergie
        Mélange de composants
        Densité de flux pour les mélanges binaires
        Diffusivité de masse ou coefficient de diffusion
    Problèmes d'écoulement des fluides
        Définitions
        Expression des flux de masse
        Résumé
    Régime transitoire
        Formulation
        Analogie chaleur-masse
    Exercice
Cours 2 : Transfert de masse - Conditions aux limites
    Équilibre gaz/liquide
        Loi de Henry
        Loi de Raoult
    Équilibre gaz/solide
        Solubilité
        Sorption
        Isotherme de sorption
    Conditions aux limites
        Introduction au problème
        Continuité des variables
Cours 3 : Analogies chaleur-masse
    Analogie de la couche limite
        Convection thermique/convection de masse
        Nombre de Lewis
        Synthèse
    Évaporation
        Convection et évaporation
        Lien entre les flux thermiques et les flux massiques
    Équivalence thermique-massique

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Permettre aux étudiants de calculer les besoins énergétiques d'un bâtiment ainsi que ses émissions tout au long du cycle de vie.

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• Thème 1. Energie éolienne : Ressources éoliennes (Distribution de Weibull, Analyse de données), puissance du vent (limite de Betz), Aérodynamique des rotors, production électrique des éoliennes
• Thème 2. Energie solaire thermique : Ressource solaire, capteurs solaires thermiques plans et à tubes sous-vides : principes, rendement.
• Thème 3. Energie solaire photovoltaïque : Conversion photovoltaïque, technologies de panneaux solaires, association de cellules et de panneaux, installations en site isolé et connectées au réseau

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• Synthèse historique sur le froid
• Introduction : principes physiques
• Fluides frigorigènes
• Système à compression mono-étagée : description des cycles thermodynamiques, rôle des composants, identification des pertes
• Systèmes à compression bi-étagée : à économiseur ouvert, à économiseur partiel, cycles cascade à deux fluides
• Conception des installations commerciales

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• Les sujets de projets tuteurés sont donnés par des enseignants chercheurs ou des chercheurs ainsi que par des ingénieurs ou des industriels;

• Ils sont en phases avec les activités de recherches des laboratoires d'appui et des attentes industrielles;

• Les sujets abordés doivent permettre la mise en oeuvre expérimentale et/ou de la simulation;

• Les projets communs entre le parcours EE et ITE sont menés en équipe de 2 à 8 étudiants.

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Elément 1 Pile à combustible :   différentes technologies, thermodynamique, électrochimie et transfert de masse pour les piles à combustibles, courbe de polarisation, rendement, calculs de base pour les PEMFC et SOFC

Elément2  Filières énergétiques  :   les différentes filières :  actuelles (fossiles, nucléaire, hydraulique) et  alternatives (renouvelables, H2), méthodes d'estimation des ressources et chiffres clés    

Elément 3  Thermique des machines électriques :  Transferts conductifs stationnaires et instationnaires (Biot < 0,1), Matériaux anisotropes des machines tournantes  (bobinages et tôles magnétiques),  sources de chaleur internes des moteurs électriques (Joule, fer, supplémentaires, frictions, mécaniques, aérauliques), quantification et localisation, Problèmes spécifiques de l'entrefer et des espaces fluidiques en bout de machines,  modélisation thermique des machines électriques (DF et méthode nodale) : discrétisation des structures,  «équivalence thermique-électrique, advection, réseaux nodaux, conditions aux limites de Dirichlet, CL de Neumann homogènes et hétérogènes, simplification des structures 2D et 3D, résolutions directes et par Range-Kutta                                                                                                                                                                                                                                      

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• The different sources: current (fossil, nuclear, hydraulic) and alternative (renewable, H₂), methods for estimating resources and key figures.
• Les différentes filières :  actuelles (fossiles, nucléaire, hydraulique) et  alternatives (renouvelables, H₂), méthodes d'estimation des ressources et chiffres clés  

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Different technologies, thermodynamics, electrochemistry and mass transfer for fuel cells, polarization curve, efficiency, basic calculations for PEMFC and SOFC

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Différentes technologies, thermodynamique, électrochimie et transfert de masse pour les piles à combustibles, courbe de polarisation, rendement, calculs de base pour les PEMFC et SOFC                                                                                                                                                                                                                                                      
                                                                                                                                                                                                    

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Electrical machines have broadly been used in many industries including the transportation industry. Electrical machines with higher power density and higher efficiency are demanded and, thus, more stringent thermal management requirements are needed for electrified vehicle applications. Design considerations, challenges, and methods for enhanced thermal management concern this course. Fundamental thermal properties of common materials are presented and sources of losses in various parts of machines are explained. Furthermore, typical cooling techniques and thermal analysis approaches for electrical machines are reviewed in detail.

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• Les sujets de projets tuteurés sont donnés par des enseignants chercheurs ou des chercheurs ainsi que par des ingénieurs ou des industriels;

• Ils sont en phases avec les activités de recherches des laboratoires d'appui et des attentes industrielles;

• Les sujets abordés doivent permettre la mise en œuvre expérimentale et/ou de la simulation;

• Les projets commun entre le parcours EE et ITE sont menés en équipe de 2 à 8 étudiants.

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Energy conversion and energy efficiency:

• different sources (fossil fuels, fission and fusion, solar, wind and tidal, geothermal),
• different forms (chemical, nuclear, mechanical, electrical),
• conversion technologies and associated efficiencies,

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Energy networks: hydrocarbon distribution networks, electrical networks (principles, technologies, losses), heating networks (principles, technologies, losses)

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Energy storage: the need for storage, different technologies (electrochemistry, electrostatics, superconductors, flywheels, gravity storage, thermal storage with and without phase change, compressed air) and key figures

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Anglais usuel, scientifique et technique, s'appuyant sur des thèmes propres à la formation de référence des étudiants (parcours énergie électrique).

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• Maîtriser les composantes de la communication interpersonnelle;

• Transmettre un message avec efficacité, s'adapter au(x) destinataire(s), comprendre la typologie des interlocuteurs, savoir argumenter;

• Identifier des techniques de communication utiles au quotidien;

• Construire la relation (avec le hiérarchique, les collègues, les clients);

• Savoir faire face à des situations relationnelles difficiles;

• Développer son assertivité, optimiser les éléments non verbaux de la communication, valoriser l'image de soi.

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L’entreprise est un cours proposé aux étudiants afin d’approfondir leur connaissance du monde de l’entreprise, dans des thématiques en lien avec les secteurs d’activité qui les concerneront.

Une présentation des doctorats en entreprise est aussi organisée.

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