Advanced Fluid Mechanics for Processes (IEN / ME / M2-FME) - 5EUS5MFA

Objectif(s)

Apporter une expertise complémentaire en écoulements diphasiques, thermohydraulique diphasique, au choix : en rhéologie ou magnétohydrodynamique / électrohydrodynamique. Fournir certains outils permettant de concevoir ou dimensionner les procédés fluides impliqués dans des secteurs aussi diversifiés que le solaire thermique, le nucléaire (réacteurs GEN III : atmea, epr, GEN IV : astrid ou GEN V : iter), le cycle du combustible, le génie du pétrole, l’agroalimentaire, la métallurgie, le développement durable (valorisation de la biomasse, recyclage), les biotechnologies… etc.

Contenu(s)

Ce module regroupe différents enseignements qui tous contribuent au développement de nouveaux procédés fluides à différentes échelles de longueur (micro ou macroscopiques) : les écoulements diphasiques (enseignant : Henda DJERIDI), la thermohydraulique diphasique (enseignant : Fabrice FRANCOIS), la rhéologie (enseignant : Laurent JOSSIC), la magnéto- ou l'électro-hydrodynamique (enseignants : Laurent DAVOUST, Olivier DOCHE).

Ces cours illustrent certains enjeux actuels de la Mécanique des Fluides, à savoir la notion d'écoulements multi-physiques mettant en jeu par exemple :

• une deuxième phase gazeuse, un changement de phase,
• une phase liquide non newtonienne,
• ou bien, dans le cas newtonien, des couplages avec des champs électriques ou magnétiques.

Les applications industrielles de ces disciplines sont légion : le génie chimique (pour la partie rhéologie), les circuits caloporteurs des centrales nucléaires (à eau pour la partie thermohydraulique diphasique, à métaux liquides ou sels fondus pour la partie magnétohydrodynamique), les échangeurs à haute performance pour la partie écoulements diphasiques, le génie métallurgique, les matériaux, les centrales solaires ou les futurs réacteurs de fission (GenIV, circuits sodium, thorium, plomb) ou de fusion (ITER) pour la partie magnétohydrodynamique.
Le module est scindé en plusieurs enseignements obligatoires ou au choix.

Enseignements obligatoires :
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• Dynamique d’inclusions et Ecoulements dispersés (Cours : 10H)
  L’objectif de ce cours est de fournir les bases de modélisation et de compréhension de la dynamique d'inclusions élémentaires (solides, bulles, gouttes) depuis leur interaction avec le fluide environnant jusqu'aux interactions entre inclusions. Le cours illustre aussi comment ces descriptions à micro et méso-échelles interviennent dans les modèles moyennés pour écoulements dispersés qui sont à la base de la plupart des outils de simulation actuels.
  Thèmes abordés : i) mouvement de globules fluides en milieu infini dans le cas permanent avec la description de la traînée, de la déformation, de l’instabilité de trajectoire et le cas non permanent (masse ajoutée, terme d'histoire), ii) équation générale d'un petit globule dans un champ fluide quelconque (BBOT), iii) aperçu sur les forces de portances et sur les interactions particule-particule et particule-paroi, iv) interactions particule-turbulence, dispersion / liens avec la modélisation moyennée des écoulements dispersés illustrés sur des situations élémentaires

• Ecoulements gaz-liquide et liquide-vapeur (Cours : 18H, BE : 8H)
  La formation initiale en mécanique des fluides et transferts de chaleur est complétée par des notions élémentaires sur la phénoménologie des écoulements et transferts de chaleur en écoulement gaz-liquide et liquide-vapeur. Sont abordés les éléments de modélisation des phénomènes, l’occurrence industrielle des écoulements diphasiques, les variables descriptives de ces écoulements diphasiques, la modélisation thermodynamique du changement de phase. Une attention particulière est accordée i) aux régimes d'écoulement en conduite horizontales et verticales, aux phénomènes de flooding et flow reversal, ii) aux méthodes de mesure en écoulements diphasiques (mesures des taux de présence local et moyen, vitesses et débits), iii) aux équations de bilan en écoulement diphasique, en particulier pour les écoulements en conduite, iv) aux équations primaires, secondaires et aux bilans aux interfaces, v) à la problématique de la fermeture des équations. La modélisation est présentée à travers les modèles homogène, à flux de dérive, modèles homogène et à l'équilibre thermodynamique, modèle homogène relaxé. Une introduction à la phénoménologie des transferts de chaleur en ébullition est proposée en évoquant tout particulièrement la convection naturelle (pool boiling) et forcée ainsi que la crise d'ébullition. Pour finir, une introduction aux transferts de chaleur par condensation est proposée et illustrée par la condensation en films ou gouttes.

1 enseignement au choix parmi les deux suivants :
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• Rhéologie (Cours : 18H, TP : 6H)
  On introduit les notions de base de la rhéologie : classification des types d'écoulements et des types de comportement en écoulement. L'accent est mis sur la rhéomètrie, c'est à dire sur les méthodes de caractérisation en écoulements contrôlés. Le but recherché est la capacité à un choix raisonné des essais rhéométriques nécessaires à la description d'un matériau et/ou d'un procédé de mise en œuvre.
  1. Rappels de mécanique des milieux continus, modèle de Newton et de Hooke.
  2. Description des types de comportement fluide et pâteux : Viscoélasticité, seuil d'écoulement, thixotropie.
  3. Méthodes de caractérisation des matériaux fluides : rhéomètrie en cisaillement, rhéomètrie en élongation.
  4. Description des écoulements : nombres sans dimension, invariants
  5. Introduction à la modélisation des procédés de mise en forme: loi de comportement, domaines linéaire et non-linéaire, lien avec la rhéométrie.

• ElectroMagnétoHydroDynamique (EMHD, Cours : 18H, 4 BE numériques sous logiciel comsol : 16H)
  La magnétohydrodynamique et ses applications aux procédés tels que les pompes, agitateurs, lévitateurs sont présentés. Les équations de transport (milieux continus) sont présentées, avec en particulier l’influence de la force de Lorentz dans Navier-Stokes, le transport de la densité de courant électrique, le couplage fort MHD pour l'astrophysique. Les nombres adimensionnels de Hartmann et Reynolds magnétiques sont introduits. Dans le cas permanent, les écoulements de Hartman sont présentés avec une attention particulière accordée aux couches limites capables de piloter les écoulements en conduites. L’impact des changements de géométries ou de non-uniformités de champ magnétiques sur les écoulements est également traité. Dans le cas du régime AC, la couche limite électromagnétique, son épaisseur dite de peau, la lévitation électromagnétique et le pompage MHD sont présentées.
  L'électrohydrodynamique est également présentée avec en particulier la capacité des champs électriques à engendrer des écoulements à échelle microfluidique. Des éléments d'électrocinétique sont également enseignés. Les électrosprays et les microsystèmes sont présentés en illustration dans un contexte d'application lié au génie médical ou biologique.
  Ce cours est accompagné de 4 BEs numériques (4x4H sur COMSOL) permettant d’illustrer les propriétés les plus remarquables des écoulements EMHD.

Modules 2A MECANIQUE DES FLUIDES I, HEAT & MASS TRANSFERS