syllabus // département "energie : production, transformation"

DÉPARTEMENT ÉNERGIE : PRODUCTION, TRANSFORMATION

La croissance démographique et le développement de l’espèce humaine impliquent une croissance des besoins en énergie qui devient difficile à satisfaire dans une optique de développement durable, respectueuse de notre environnement. A cette crise énergétique et environnementale, s’est récemment surajoutée une crise financière et économique, qui ne fait que renforcer l’atmosphère de compétition globale dans laquelle les jeunes ingénieurs évoluent. Dans ce contexte il semble clair, d’une part que les secteurs de l’énergie au sens large (production, transformation, transport…), non délocalisables, vont conserver leur dynamisme actuel, d’autre part que les meilleurs atouts de l’industrie européenne (voire occidentale) de ces secteurs se trouvent du côté de la recherche & innovation. De fait, de nombreux ingénieurs commencent par un ou deux postes en recherche & développement & études, avant d’évoluer, éventuellement, vers des postes de « managers ». Leur passage du côté de la technique donne alors des « managers » plus au fait des enjeux technologiques, donc plus efficaces.

Le département Energie : Production, Transformation propose justement une formation ciblant la recherche & développement & études dans les domaines de l’énergie au sens large. Les applications visées sont la production d’énergie (centrales de différents types – conventionnelles : nucléaire, thermique, mais aussi à partir d’énergies renouvelables : hydraulique, solaire, etc. – et différentes échelles) et sa transformation (combustion, propulsion, etc.). Cette orientation marquée vers la R&D n’exclut pas des débouchés en exploitation (qui peut le plus peut le moins) ou « management » (à condition d’être un peu patient comme on vient de l’expliquer).

Dans un premier temps, en deuxième année, l’accent est mis sur l’acquisition de compétences de base en modélisation en mécanique des fluides et thermique. La résolution des modèles obtenus se fait dans certains cas analytiquement ; elle passe aussi par l’outil informatique i.e. par du calcul formel (parfois) ou numérique (le plus souvent). Le logiciel Mathematica est ainsi présenté aux élèves, via des TP d’initiation au début de l’année, et utilisé par la suite lors de certains TD, comme prototype d’outil logiciel utilisé en R&D. De plus un module sur les méthodes et codes numériques est proposé dès le premier semestre de la deuxième année, lors duquel les algorithmes mis au point sont programmés sur Mathematica.

Toujours concernant les bases, un module de génie électrique est proposé, dans le but notamment de présenter les convertisseurs, incontournables dès lors que de l’énergie électrique est présente.

Dans un second temps, en fin de deuxième semestre de la deuxième année, un cycle plus spécialisé propose un module sur les turbomachines et un module sur les systèmes énergétiques.

En troisième année sont proposés six modules d’approfondissement, sur l’usage de codes de simulation industriels, sur la combustion dans le contexte des turboréacteurs et de l’aéronautique (module double), sur les écoulements en milieux poreux avec applications aux réservoirs d’énergie, sur les systèmes fluides pour les centrales nucléaires, et enfin sur l’analyse comparée et l’optimisation des différentes filières énergétiques. Ce dernier module comporte une initiation aux problématiques du calcul des coûts économiques et des impacts environnementaux.

Un module électif est aussi proposé en troisième année, avec des collègues d’autres départements, sur la « filière nucléaire ».

Plusieurs projets et mini-projets, ainsi que des travaux pratiques lors du séminaire à mi-parcours en deuxième année (TP effectués à l’ENSEM, en partie sur la plateforme « Energie »), permettent aux élèves de mettre en œuvre les compétences théoriques acquises durant les modules, de les confronter à la réalité, et d’acquérir des compétences supplémentaires.

> D

ép

art

em

en

t :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on

Parcours Modules du semestre S7 Modules du semestre S8

Energie : Production, Transformation

Mécanique des fluides I

Transferts thermiques I et II

Méthodes numériques pour la mécanique-énergétique

Mécanique des fluides II

Eléments de base du génie électrique

Machines à fluides – Turbomachines

Systèmes énergétiques

Modules du semestre S9

Codes numériques pour la résolution de problèmes de l’ingénieur

Combustion appliquée aux turboréacteurs I et II

Ecoulements en milieu poreux - Applications aux réservoirs

Génie nucléaire : Systèmes fluides pour les REP

Analyse comparée des filières énergétiques - Stratégies énergétiques

Enseignants

Les membres permanents du département sont :JENNY Mathieu Maître de ConférencesPLAUT Emmanuel ProfesseurSCHICK Vincent Maître de conférencesSESSIECQ Philippe Maître de conférences

De nombreux enseignants-chercheurs du LEMTA, des ingénieurs de la SNECMA (groupe SAFRAN), d’AREVA et d’EDF R&D, un professeur de Mines ParisTech sont impliqués dans certains modules. En sus quelques conférences sont organisées, impliquant des membres de l’Institut Jean Lamour (IJL) ou des extérieurs.

Cours d’options / Parcours 2A

Département Energie : Production, Transformation

Site web du département :

http://www.mines.inpl-nancy.fr/energie

> D

ép

art

em

en

t :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on

> Parcours : Energie : Production, Transformation

SE131 Mécanique des fluides I S7

Responsable : Emmanuel PLAUT, Professeur http://www.mines.inpl-nancy.fr/emmanuel.plaut

Durée du module : 21 heures Crédits ECTS : 2

Objectifs pédagogiques

Ce cours s’inscrit dans la continuité du cours de mécanique des milieux continus de première année. Il vise à consolider les connaissances de base des élèves en mécanique des fluides, et à introduire, de façon plus avancée, le modèle du fluide parfait, ainsi que des éléments sur les fluides compressibles. Les cours magistraux sont illustrés par des travaux dirigés, lors desquels les élèves sont parfois amenés à utiliser un logiciel de calcul formel et numérique (Mathematica) pour aller plus loin que ce que permettent les résolutions « à la main ». Les élèves auront été initiés à Mathematica par des TP lors du séminaire de rentrée du département.

Contenu - Programme

• Retour sur les bases de la modélisation en mécanique des fluides :loi de comportement, avec des éléments sur les fluides visqueux compressibles, notion de pertes de charge, bilans locaux et globaux, jusqu’aux bilans d’énergie interne.

• Modèle du fluide parfait et applications :écoulements potentiels, utilisation de potentiels complexes ; applications à l’aérodynamique ; effets de tension superficielle ; ondes interfaciales ; instabilités de Kelvin-Helmholtz & Rayleigh-Taylor ; effets de compressibilité : ondes sonores, introduction à l’acoustique.

Mode d’évaluation :

1 test écrit + 1 devoir à la maison, le tout pondéré par l’appréciation du chargé de TD.

Supports pédagogiques

Hyperdocument de cours-TD accessible sur la page web :http://www.mines.inpl-nancy.fr/emmanuel.plaut/mfqui donne aussi le planning général de cet enseignement, la trame des présentations vidéos des cours magistraux, ainsi que des annales corrigées.

> P

arc

ou

rs :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on

6ICE171


SE132-SE134 Transferts thermiques S7

Responsable : Yves JANNOT, Ingénieur CNRS [email protected]ée du module : 42 heures Crédits ECTS : 4


La maîtrise de l’énergie suppose à l’évidence une compréhension fine des mécanismes de transferts de chaleur. Leur étude est d’ailleurs d’autant plus formatrice qu’à chacun des trois modes de transfert (conduction, convection, rayonnement) correspond une démarche propre : résolution d’une équation aux dérivées partielles par utilisation des méthodes usuelles (séparation de variables, transformation de Laplace…) pour le transport conductif, couplage entre écoulements et transferts thermiques en convection, physique du transport radiatif. Les Travaux Dirigés au-delà de la simple acquisition des connaissances seront une véritable introduction à la réflexion physique et à la modélisation. Ils seront complétés par des exposés présentés par les étudiants et par des mini-projets dans lesquels les phénomènes de couplage seront pris en compte.

Ce module est complété par un ou deux travaux pratiques (Méthode flash, caractérisation d’un élément Peltier, étude du rayonnement des solides, etc.) qui se déroulent pendant le le séminaire de printemps du département.

Contenu - Programme

• Formulation d’un problème de transfert de chaleur, les différentes propriétés thermiques d’un corps, les différents modes de transfert

• Transferts de chaleur par conduction - Equation de la chaleur : champ de température, flux, densité de flux, tube de flux, isothermes, loi de Fourier, équation de la chaleur, conditions initiales et aux limites, nombres sans dimensions. - Régime permanent : résistance thermique, résistance de contact, facteurs de forme, ailettes. - Régime transitoire : petit corps, milieu semi-infini, milieu fini, transferts à une et plusieurs dimensions, diverses méthodes de résolution (séparation de variables, transformations intégrales, quadripôles), initiation aux méthodes inverses.

• Transferts radiatifs - Définition des principales grandeurs et rayonnement des corps opaques : formule de Bougouer, loi de Kirchoff. - Le corps noir : loi de Planck, loi de Stefan-Boltzmann, les corps gris. - Rayonnement réciproque de surfaces grises à travers un milieu inerte. - Rayonnement des gaz : application à l’effet de serre et à la pollution atmosphérique.

• Transferts thermiques convectifs - Equations générales du transport convectif. - Convection forcée : couche limite laminaire (cas d’une plaque plane) ; régime turbulent ; analyse dimensionnelle et différentes corrélations. - Convection naturelle : principe, analyse dimensionnelle et corrélations. - Convection avec changement d’état : condensation, ébullition (graphe de Nukiyama) - Application au calcul des déperditions thermiques de four, de conduites…

> P

arc

ou

rs :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on

6ICE172

• Les échangeurs de chaleur - Modélisation des transferts dans un échangeur tubulaire simple. - Calcul de l’efficacité, Méthode du NUT. - Les échangeurs à faisceaux complexes. - Dimensionnement d’un échangeur et calcul d’un point de fonctionnement.

• Mini-projetsCes mini-projets traités par des groupes de 3 à 4 étudiants portent sur deux types de sujets : recherche ou ingénierie.Les premiers sont destinés à initier les élèves à des problèmes plus avancés que ceux traités en travaux dirigés nécessitant un approfondissement des notions étudiées ou l’utilisation d’une méthode de résolution plus sophistiquée. En particulier, l’accent est mis sur le couplage entre les différents modes de transfert.Les seconds portent sur des problèmes plus pratiques tels que le dimensionnement d’un capteur solaire, d’un échangeur de chaleur destiné à un séchoir, d’un évaporateur de système frigorifique… Ils sont destinés à apprendre aux étudiants à résoudre un problème réel incluant la recherche d’information scientifique (modèles, données matériaux) et techniques (types de dispositifs envisageables), le choix d’une solution parmi un ensemble possible, la simulation du comportement thermique du système envisagé, son dimensionnement pour répondre à un critère imposé.

• ExposésCes exposés réalisés par des groupes de 3 à 4 étudiants sur des thématiques liées à l’énergie (pile à combustible, ITER, énergie solaire, éolienne…) ont un double objectif : - Apprendre aux étudiants à rechercher l’information pertinente sur un sujet, à en réaliser la synthèse et à l’exposer à un public. - Compléter par ce biais la culture générale « énergétique » de l’ensemble des étudiants assistant aux exposés.


2 tests écrits, 1 note de mini-projet, 1 note d’exposé, 1 note de participation en TD.


Document de cours-TD accessible sur la page web :http://www.thermique55.comavec d’autres ressources.

> P

arc

ou

rs :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on


SE133 S7

Responsable : Mathieu JENNY, Maître de conférenceshttp://www.mines.inpl-nancy.fr/mathieu.jenny


Pré requis

• Connaissances générales en mécanique des fluides et transferts thermiques.• Aucune connaissance spécifique en méthodes numériques n’est requise.


Le but de ce module est d’initier les étudiants aux principales méthodes numériques de résolution de problèmes de l’ingénieur en mécanique des fluides et thermique : différences finies, éléments finis, volumes finis. Les élèves seront amenés à programmer ces méthodes dans des cas élémentaires à l’aide de Mathematica. L’objectif est donc de savoir ce qui se cache derrière les codes numériques, notamment ceux utilisés dans l’industrie en recherche et développement (comme par exemple le code de CFD Fluent). Cette connaissance permettra une utilisation intelligente des outils numériques (choix des méthodes, etc.). L’utilisation, à proprement parler, de codes commerciaux pourra être appréhendée en cours électif (CET45) et dans le module SE151 de troisième année du département.

Contenu - Programme

• Principes de discrétisation d’équations aux dérivées partielles : différences finies, éléments finis, volumes finis ; schémas explicite et implicite.

• Méthodes numériques de résolution d’un problème (méthode de Newton, pivot de Gauss, décomposition LU…).

• Mise en œuvre sous Mathematica : problèmes stationnaires et instationnaires à une dimension d’espace.


Contrôle écrit et programmation sur ordinateur.


Hyperdocument de cours-TD accessible sur la page web :http://www.mines.inpl-nancy.fr/mathieu.jenny

> P

arc

ou

rs :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

onMéthodes numériques

pour la mécanique-énergétique6ICE173A


SE141 Mécanique des fluides II S8

Responsables : Emmanuel PLAUT, Professeur http://www.mines.inpl-nancy.fr/emmanuel.plaut



En suivant la démarche du cours de mécanique des fluides 1, sont introduits ici les modèles des écoulements de Stokes, des couches limites, et des écoulements turbulents. Les cours magistraux sont illustrés par des travaux dirigés, lors desquels les élèves sont souvent amenés à utiliser un logiciel de calcul formel et numérique (Mathematica) pour aller plus loin que ce que permettent les résolutions « à la main ». Enfin un ou deux travaux pratiques associés à ce module (étude d’une couche limite, aérodynamique d’un profil d’aile, etc.) sont réalisés lors du séminaire de printemps du département.

Contenu - Programme

• Ecoulements de Stokes :propriétés ; application à l’étude de la sédimentation.

• Couches limites :équations de Prandtl ; couche limite de Blasius ; couches limites de Falkner-Skan, en lien avec le problème du décollement.

• Turbulence :éléments sur la théorie de Kolmogorov, équations de Reynolds, modèles de fermeture (Boussinesq, Prandtl, K – ε) ; diffusion turbulente.


1 note de TP + 1 test écrit, le tout pondéré par l’appréciation du chargé de TD.


Hyperdocument de cours-TD accessible sur la page web :http://www.mines.inpl-nancy.fr/emmanuel.plaut/mfqui donne aussi le planning général de cet enseignement, la trame des présentations vidéos des cours magistraux, ainsi que des annales corrigées.

> P

arc

ou

rs :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on

6ICE181A


SE142 Eléments de base du génie électrique S8

Responsables : Gérard VINSARD, Maître de Conférences [email protected]

Stéphane DUFOUR, Maître de Conférences [email protected]



Décrire l’essentiel de ce qu’on doit savoir des différents objets du génie électrique ainsi que leurs connexions en vue des utilisations usuelles.

Contenu - Programme

• Circuits électriques monophasés et triphasés en régime sinusoïdal établi - Rappel des connaissances en circuits monophasés acquises en classes préparatoires et précisions : puissances active et réactive, couplage inductif ; - Introduction des systèmes triphasés équilibrés en régime établi : montages étoile et triangle, situation du neutre, couplages inductifs.

• Production, transport et consommation d’électricitéPremière approche des réseaux électriques : modèle de ligne électrique, introduction à l’analyse de la répartition des puissance dans un réseau électrique.

• Transformation de l’énergie électriquePremière approche des principaux types de convertisseurs statiques : transformateur (conversion AC/AC), redresseur (AC/DC), onduleur (DC/AC), hacheur (DC/DC).

• Machine asynchronePremière approche du moteur le plus fréquemment utilisé du point de vue de l’utilisateur, à partir du modèle du transformateur à champ tournant, fonctionnement moteur et alternateur.

• Convertisseurs électromécaniquesRevue, toujours dans l’idée d’une première approche, des différents types de convertisseurs électromécaniques (moteurs synchrones à aimants permanents, universels, alternateurs synchrones et machine à courant continu), avec notification de leurs utilisations industrielles usuelles.

• Séance de démonstration en laboratoireLes objets décrits précédemment sont mis en fonctionnement devant les étudiants ; les étudiants ne manipulent pas eux-mêmes pour des raisons légales (non habilitation électrique).

• Présentation d’une application de l’électricitéLe thème de cette séance d’ouverture est susceptible de varier en fonction des intérêts industriels. Le thème du chauffage par induction (chauffage propre) est abordé sur l’exemple classique du chauffage d’une billette d’acier.

Mode d’évaluation : un test écrit en fin de module.

Support pédagogique

Document de cours et document EDF sur le chauffage par induction.

> P

arc

ou

rs :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on

6ICE182A


SE143 Machines à fluides - Turbomachines S8

Responsable : Mathieu JENNY, Maître de conférences http://www.mines.inpl-nancy.fr/mathieu.jenny



Présenter une vue d’ensemble des différentes machines à fluides (volumétriques et turbomachines) utilisées dans la transformation de l’énergie, plus spécialement hydraulique. Les notions abordées sont : l’équilibrage des turbomachines, la description des différentes familles de machines et de leur domaine d’utilisation, la nature des écoulements autour des éléments mobiles et/ou fixes des machines, les notions de courbes caractéristiques et de rendements, les origines des pertes, les limites de fonctionnement. Une introduction aux éoliennes est enfin donnée à la fin du module.

Contenu - Programme

• Eléments de dynamique des structuresProblématique de l’équilibrage des turbomachines : modèle du solide indéformable, centre d’inertie, tenseur d’inertie, axes principaux d’inertie, techniques d’équilibrage.

• Introduction aux machines à fluidesDescription globale et classification des grandes familles de machines. Théorèmes généraux. Rappel de la notion de charge et perte de charge, écoulement autour d’un profil, triangles de vitesses.

• Turbomachines à fluides incompressiblesCaractéristiques théoriques, pertes, rendements, caractéristiques réelles, méthodologie de conception des machines axiales et des machines centrifuges. Pompes centrifuges, hélices. Turbines Pelton, Francis, Kaplan.

• SimilitudeEn fluides incompressibles, et en cavitation. Invariants de Rateau, vitesses spécifiques.

• Introduction aux éoliennesAperçu des différents types d’éolienne à arbre horizontal et vertical. Éléments sur la modélisation des éoliennes.


Test écrit en fin de module.

Support pédagogiqueHyperdocument de cours-TD accessible sur la page web http://www.mines.inpl-nancy.fr/mathieu.jenny

> P

arc

ou

rs :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on

6ICE183

http://www.mines.inpl-nancy.fr/mathieu.jenny


SE144 Systèmes énergétiques S8

Responsable : Alain LEFEVRE, Maître de conférences [email protected]



Connaître et comprendre les modes de production d’énergie par utilisation de machines thermiques. Être capable de pré-dimensionner en termes de performance énergétique et environnementale différents systèmes.

Contenu - Programme 1. Approche simplifiée de la combustion : détermination des Pci, Pcs, Va, Vfs, Vfh et température théorique de combustion, stœchiométrique, avec excès d’air, taux de dilution, diagramme d’Ostwald, comparaison de combustibles.2. Étude des turbines à gaz : cycle ouvert, cycle fermé, production d’électricité, applications aéronautiques.3. Étude des turbines à vapeur : soutirages, surchauffe, resurchauffe, cycles classiques et supercritiques.4. Étude des cycles combinés : cogénération, tri génération.5. Étude des moteurs à combustion interne : moteurs essence, diesel simple et mixte, gaz, suralimentation avec refroidissement intermédiaire, système EGR, moteurs Stirling.6. Production de froid : par compression de vapeur, absorption, adsorption, thermoélectrique, pompes à chaleur.7. Conditionnement d’air (ouverture).

Thème transverse : Évaluation de l’empreinte carbone : consommation de combustible, production de CO2.

Note : Le chapitre Turbines à vapeur est traité par Jean-Marc DOREY Ingénieur R&D EDF CHATOU.


un test écrit en fin de module.


Documents de cours et TD

> P

arc

ou

rs :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on

6ICE184


SE151 S9

Responsable : Benjamin REMY, Maître de conférences [email protected]ée du module : 21 heures Crédits ECTS : 2

Pré requis

- Connaissances générales en Mécanique des fluides et transferts thermiques.- Connaissances de base en méthodes numériques, du type de celles introduites dans le module deuxième année de méthodes numériques pour la mécanique-énergétique (SE133).


Le but de ce module est d’initier les étudiants à l’utilisation de codes numériques pour la résolution de problèmes de l’Ingénieur en Mécanique des Fluides et Thermique (ces deux modes pouvant être éventuellement couplés). Il s’agit aussi de les amener à avoir un regard critique sur les résultats obtenus en les contrôlant et en les validant par des bilans (masse, énergie et quantité de mouvement) ou encore en étudiant la sensibilité de la solution aux différents paramètres physiques ou techniques.

Contenu - Programme

Il existe sur la marché de nombreux codes susceptibles de résoudre les problèmes de l’Ingénieur en Mécanique des Fluides et en Thermique. Certains de ces codes sont commerciaux comme FlexPDE, Comsol Multiphysics, Fluent, ... mais il existe aussi d’autres alternatives de type «OpenSource» comme Thétis et OpenFOAM. Certains de ces codes sont même aujourd’hui intégrés aux logiciels de C.A.0 (ex. : Fluent sous Catia V5). L’objectif de ce module est dans un premier temps de présenter ces différents codes en décrivant leurs spécificités et leurs champs d’applications et dans un second temps d’apprendre à les utiliser pour la résolution de problèmes concrets.

On présentera au début du module les deux grands types de codes abordés :

- Les codes qui permettent de résoudre tous types d’Equations aux Dérivées Partielles (EDP) tout en faisant abstraction pour l’utilisateur des aspects numériques inhérents à leur résolution (exemple : logiciel FlexPDE qui permet de résoudre des équations différentielles couplées en utilisant un maillage adaptatif en temps et en espace). Ce type de code peut être utilisé pour la résolution de problèmes complexes, pour l’estimation de paramètres par méthode inverse sur des expériences ou encore pour effectuer des études paramétriques.

- Les autres types de codes tels que Fluent qui permettent de résoudre des problèmes dont les équations différentielles sont déjà pré-écrites. Ils requièrent l’utilisation d’un mailleur qui peut être soit intégré (Comsol Multiphysics, Meshing pour Fluent sous Workbench), ou encore externe (Gambit/IcemCFD). Nous nous intéresserons plus précisément à l’utilisation du logiciel de CAO (Design Modeler) et du mailleur (Meshing) intégrés dans Fluent sous Workbench. Nous présenterons ensuite le solveur Fluent avant de présenter les UDF (User Defïned Functions) qui permettent d’introduire dans ce solveur un terme source dans une équation différentielle ou une loi rhéologique spécifique pour un fluide.

Nous chercherons ensuite à travers différents Travaux Dirigées et Pratiques à résoudre des problèmes Anisothermes sur des fluides et des solides en régimes permanent ou transitoire.

> P

arc

ou

rs :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on

Codes numériques pour la résolution de problèmes de l’ingénieur6ICE191A

Le programme séance par séance sera le suivant :

• Présentation générale de différents codes (FlexPDE, Comsol Multiphysics et Fluent sous Workbench) et de leurs spécificités (Méthode numérique utilisée, Résolution d’EDP, mailleur adaptatif en espace et en temps, écriture de Script - , ...). Critères de choix.

• Utilisation de FlexPDE pour la résolution d’EDP couplées non-linéaires, couplage avec Matlab.

• Introduction de Design Modeler et de Meshing (Fluent sous Workbench) ainsi que des différents types d’éléments et de maillage. Formats d’Export.

• Présentation de Fluent et de ses fonctionnalités.

• Résolution de problèmes de Mécanique des fluides, de Thermique et Mécanique des Fluides anisothermes.

• Introduction à l’écriture d’UDF sous Fluent.

• Présentation de logiciels de type OpenSource, introduction au solveur OpenFOAM et au calcul parallèle.

Cette dernière séance sera donnée par Mathieu JENNY.

Mode d’évaluation : Projet qui consistera à résoudre un problème donné à l’aide de l’un des codes

numériques présentés.

Références

Documents de cours.

> P

arc

ou

rs :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on


SE152-SE153 Combustion appliquée aux turboréacteurs S9

Responsables : Guillaume CASTANET, chercheur CNRS [email protected] Olivier PENANHOAT, ingénieur SNECMA [email protected]



L’objectif de ce cours est d’acquérir des connaissances de base sur la combustion. Il vise aussi à étendre ces connaissances sur certains aspects spécifiques d’intérêt industriel et pratique liés aux turboréacteurs. Ce cours comporte également une introduction aux écoulements compressibles fortement énergétiques, par exemple aux ondes de choc.

Contenu - Programme

• Rappels sur la thermodynamique d’un mélange d’espèces chimiques (C1) - GCEquilibre chimique. Composition à l’équilibre chimique. Température de flamme adiabatique.

• Notions de cinétique chimique (C1) - GCTaux d’avancement d’une réaction. Combustion pauvre/riche. Réduction des schémas cinétiques.

• Combustion laminaire (C2-C4) - GCLes flammes laminaires de prémélange: exemples, équations monodimensionnelles, vitesses de flamme, température de fin de combustion. Stabilisation des flammes.Les flammes laminaires de diffusion: exemples, scalaire passif, les températures de fin de combustion.

• Travaux Pratiques – GC (3h) Vitesse de propagation et stabilisation d’une flamme au-dessus d’un brûleur à prémélange

• Combustion diphasique (C5) - GC Goutte isolée. Brouillards. Différents types de combustion diphasique.

• Les ondes de combustions (C6-C7) – GC Notions de base sur les écoulements compressibles. Equations monodimensionnelles. Exemples d’écoulements (isentropique, Ecoulement de Rayleigh). Ondes de choc.Déflagration/détonation. Structure d’une détonation. Vitesse d’une détonation Chapman-Jouguet.

• Combustion turbulente (C8-C9-C10) – OP Modélisation de la combustion turbulente. Equations de conservation Reynolds-Average Navier-Stokes. Modèle de fermeture pour le taux de réaction moyen. Flammes turbulentes de diffusion et de prémélange ; principaux modèles (Eddy Break-Up, CLE, Probability Density Function, PCM). Aperçu sur les méthodes numériques (RANS, Large Eddy Simulations, Direct Numerical Simulations). Illustrations sur des applications aux turboréacteurs.

> P

arc

ou

rs :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on

6ICE192A-6ICE193A

• Emissions polluantes des chambres de turboréacteurs (C11-C12) – OP Modélisation de la formation des polluants (NOx, CO, UHC, particules) ; impact de la composition fine des carburants ; technologies futures de chambres Low NOx ; impacts environnementaux (qualité de l’air et effet de serre) ; enjeu des carburants alternatifs de type « drop-in » : impact sur les particules ultra-fines, bilans CO2 Well to Wing ; mesure des polluants.

• Evaluation finale (C13) – GC Test écrit.

Modes d’évaluation :

Un compte-rendu de TP + un test écrit en fin de module.

Références

- Documents de cours-TD

- La combustion et les flammes, Borghi et Destriau. Editions Technip 2005.

- Principles of combustion, Kuo. Wiley 2005.

- Theoretical Numerical Combustion. Veynante & Poinsot 2005.http://elearning.cerfacs.fr/COURSES/COMBUSTION/combustion.php


SE154 S9

Responsables : Irina PANFILOVA, chercheur LEMTA [email protected]

Antonio PEREIRA, maître de conférences [email protected]



Ce module traite des écoulements monophasiques et diphasiques en milieu poreux avec applications industrielles principalement dans le domaine des réservoirs de pétrole et de gaz. Il se compose de six séances de cours et de travaux dirigés.

Contenu - Programme

• Structures et types thermodynamiques des réservoirs souterrains d’énergie (S1)-IPRéservoirs de pétrole, gaz naturel, gaz à condensat, huiles lourdes et bitume. Types d’écoulement en milieu poreux : monophasique, multiphasique immiscible et partiellement miscible. Thermodynamique élémentaire des réservoirs d’énergie : diagrammes PVT et équations d’état des fluides et des roches. Paramètres des milieux poreux : perméabilité, porosité, VER.

• Equations fondamentales des écoulements monophasiques en milieu poreux (S2)-IPConservation de la masse et de la quantité de mouvement. Régimes d’écoulement, loi de Darcy pour un écoulement visqueux lent et loi de Forchheimer pour un écoulement inertiel. Exemple de l’écoulement stationnaire radial et parallèle ; application à l’écoulement vers un puits de pétrole et de gaz.

• Transfert de masse en milieu poreux II (S3-S4)-APDescription de l’écoulement d’un fluide comportant plusieurs espèces en milieu poreux. Diffusion et convection ; loi de Fick. Coefficients de transport.

• Transfert de masse en milieu poreux II (S4-S5)-AP

Interaction avec la paroi rocheuse. Adsorption linéaire et non-linéaire. Réactions chimiques. Cas de l’injection du C02.

• Ecoulements multiphasiques en milieux poreux (S6)-IPBases physiques des écoulements multiphasiques : lois du mouvement, perméabilités relatives, pression capillaire. Modèle de Buckley-Leverett pour un écoulement diphasique en milieu poreux ; phénomène des ondes de choc et solutions discontinues ; technique du diagramme de Welge. Calcul analytique et numérique (COMSOL) de la récupération du pétrole ; scénarios en fonction de la mobilité des phases.


Examen écrit à la fin du module (S7).


Documents de cours au format PDF.

> P

arc

ou

rs :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on

6ICE194AEcoulements en milieu poreux

Applications aux réservoirs


SE155 S9

Responsable : Benoît BLANPAIN, Ingénieur systèmes fluides, AREVA



La connaissance du fonctionnement des réacteurs à eau pressurisée (REP), qui sont responsables de la moitié de la production d’électricité nucléaire mondiale et de la totalité sur le sol français, se limite bien souvent à la chaine « circuit primaire », « circuit secondaire » , « circuit tertiaire ». L’objectif de ce module est d’acquérir des connaissances solides sur cette chaine et d’aller plus loin. Dans un premier temps, il s’agit de comprendre de façon fine le fonctionnement normal d’une centrale nucléaire de type REP, c’est-à-dire lorsqu’elle est en production, en suivi de charge, avant, pendant et après un rechargement de combustible. Une présentation des circuits dits « auxiliaires » sera alors faite.La seconde partie de ce module porte sur le fonctionnement accidentel des REP. Le caractère sensible du nucléaire civil implique une gestion des transitoires accidentels (de probabilité faible) rigoureuse et sans faille. A travers cette partie, les « systèmes de sauvegarde » seront présentés.Ce module permet donc de comprendre en détail l’architecture des systèmes thermohydrauliques complexes et nombreux d’un REP en s’appuyant notamment sur des exemples pratiques de dimensionnement d’équipements (échangeur de chaleur, réservoir…) et sur des études de transitoires accidentels typiques.Ce module est également l’occasion d’une mise en application concrète de nombreuses notions introduites dans les enseignements de mécanique des fluides, transferts thermiques ou encore de thermodynamique appliquée. Si nécessaire, des compléments seront donnés sur certaines notions. On peut enfin mentionner que des systèmes fluides qui jouent un rôle important existent dans d’autres industries (production d’énergie à partir de combustibles fossiles, chimie, etc…).

Contenu - Programme

> Cours

1. Fonctionnement normal - Les systèmes principaux : RCP, GV, ARE/VVP/GCTc, source froide

2. Transitoires de fonctionnement normal : arrêt et démarrage du réacteur, aspects thermiques et volumétriques - Conception des systèmes RRA, RRI, SEC

3. Transitoires de fonctionnement normal : arrêt et démarrage du réacteur, aspects chimiques et volumétriques - Conception des systèmes RCV, REA, grappes.

4. Fonctionnement accidentel : systèmes de sauvegarde – Conception des systèmes RIS, EAS, RBS, ASG.

5. Séquences accidentelles du secondaire (RTE, RTV, RTGV)

6. Analyse du déroulement de séquences accidentelles déjà rencontrées (Three Miles Island, Tchernobyl, Fukushima)

> P

arc

ou

rs :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on

6ICE195CGénie nucléaire : Systèmes fluides pour les REP

> TD

1. Fonctionnement stable (adaptation de la puissance produite à la puissance demandée, adaptation de la fréquence). Dimensionnement du RDP : condensation d’une décharge de vapeur, compression de la phase gazeuse, température finale...

2. Dimensionnement de la piscine PTR : étude du temps à partir duquel il y a dénoyage des assemblages de combustible usé en cas de problème. Dimensionnement d’un échangeur RRA/RRI, ou RRI/SEC : estimation des capacités d’évacuation d’énergie

3. Construction du domaine de fonctionnement normal : diagramme P/T « chaussette ».

Etude d’une dilution/borication (bore 10, cristallisation).

4. Dimensionnement du système RIS : équilibrage des lignes d’injection, choix des pompes selon diverses exigences (débit requis, pression maximale d’injection, NPSH), protection des pompes (ligne à débit nul)…

5. Séquences accidentelles du primaire : ARPP grosse brèche et brèche intermédiaire.

6. Etude du transitoire incidentel de manque de tension externe (APRP, RTE, RTV, RTGV)

La 7ème séance est consacrée au test.


Un test écrit en fin de module.

Ouvrage conseillé

« La chaudière des réacteurs à eau sous pression », P. Coppolani, N. Hassenboehler, J. Jo-seph, J.F. Petetrot, J.P. Py, J.S. Zampa, EDP Sciences, 2004, 293 pages.

Abréviations

APRP Accident de perte de réfrigérant primaire

ARE Système d’eau alimentaire (circuit secondaire – alimentation en eau des GV)

ASG Système d’alimentation des GV de sauvegarde

EAS Système d’aspersion enceinte

GCTc Groupe de contournement de la turbine – Condenseur

GV Générateur de vapeur

NPSH Net positive suction head

PTR Système de traitement des piscines

RBS Système de borication de sécurité

RCP Circuit primaire

RCV Système de contrôle chimique et volumétrique

RDP Réservoir de décharge du pressuriseur

REA Système d’appoint d’eau

REP Réacteurs à eau pressurisée

RIS Système d’injection de sécurité

RRA Système de refroidissement du réacteur à l’arrêt

RRI Système de refroidissement intermédiaire

RTE Rupture de tuyauterie d’eau alimentaire

RTGV Rupture de tuyauterie de GV

RTV Rupture de tuyauterie vapeur

SEC Système d’eau brute secourue

VVP Système principale de vapeur (circuit secondaire – alimentation en vapeur de la turbine)

> P

arc

ou

rs :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on


SE156 S9

Responsables : Philippe SESSIECQ, Maître de Conférences [email protected]

Nadia MAÏZI, Professeur Mines – ParisTech [email protected]



Ce cours vise à présenter la problématique énergétique actuelle suivant une approche pluridisciplinaire englobant des aspects techniques, économiques et environnementaux, via l’analyse comparative des filières énergétiques. On se propose, à travers différents angles d’attaque, d’esquisser des réponses aux questions suivantes :- quelle énergie pour aujourd’hui et demain, durablement ?- à quel coût ?- dans quelle mesure et comment peut-on définir des choix optimaux ?

L’étude de ces questions sera bien l’occasion de voir ou revoir la technologie des différentes filières étudiées - de façon plus ou moins détaillée -, à savoir les filières Charbon, Pétrole, Gaz, Biomasse, Nucléaire, Solaire, Hydroélectricité, Éolien et Hydrogène (application pile à combustible).

Contenu - Programme

Ce module comprend trois parties imbriquées.

• La Prospective et le contexte de l’Energie- Histoire de la contribution des modèles de prospective long terme face au questionnement climatique.- Le modèle MARKAL-TIMES, développé avec l’AIE, prototype d’outil de modélisation prospective reposant sur un concept d’optimalité.- Application aux problèmes de stratégie Energie-Climat, présentés dans leur contexte : conséquences du protocole de Kyoto, des directives quotas et du programme « Paquet énergie-climat » ; aspects plus particuliers liés aux quotas de CO2.

• Analyse du cycle de vie des filières énergétiques - De la méthodologie Bilan Carbone à la méthodologie « Analyse du cycle de vie ». - Initiation au logiciel Bilan Carbone et au logiciel d’ACV GaBi4. - Description des filières énergétiques et évaluation des impacts par ACV.

• Analyse du coût des filières énergétiques : méthode TEC d’analyse économique et/ou Life Cycle Costing sous GaBi4.

Dans le cadre de ce module, un séminaire de trois jours a lieu au Centre de Mathématiques Appliquées de Sophia-Antipolis, durant lequel on met l’accent sur les modèles prospectifs optimaux et leur manipulation.

Mode d’évaluation : Les élèves seront évalués sur un mini-projet

et un contrôle des connaissances en fin de module.


Document de cours-TD.

> P

arc

ou

rs :

En

erg

ie :

Pro

du

ctio

n,

Tra

nsf

orm

ati

on

6ICE196Analyse comparée des filières énergétiques

Stratégies énergétiques