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B311 TRANSFERT DE CHALEUR

En pratique

  • Cette unité d'enseignement (UE) articule 1 activité d'apprentissage :
    • TRANSFERT DE CHALEUR
  • En 2023-2024, elle s'organise au deuxième quadrimestre et couvre 3 crédits (ECTS).
  • L'enseignement est principalement centralisé dans le campus : Gramme
  • Cette UE est remédiable d'une session à l'autre
  • Modalités d'enseignement
    • Auditoire

Activité d’apprentissage

Les finalités de l'UE

Les transferts thermiques sont omniprésents dans notre vie quotidienne (bâtiment, météo, corps humain, ...) ainsi que dans de très nombreuses applications techniques (moteurs, échangeurs de chaleur, refroidissement de composants électroniques, ...). Ces transferts de chaleur constituent par conséquent une matière cléf dans le cursus des ingénieurs. S'inscrivant dans la suite logique des compétences acquises dans l'Unité d'Enseignement (UE) B215 Thermodynamique, l'UE Transfert de chaleur s'attache donc à fournir aux étudiant.e.s un socle de connaissances solides dans le domaine des transferts thermiques. Elle vise également à le.la familiariser à la modélisation et à la simulation numérique de ces phénomènes dans le cadre d'applications pratiques.

Les contenus de l'UE

Un transfert de chaleur correspond à un transfert énergétique spontané d'un corps chaud vers un corps froid. Dans le cadre de cette UE, nous corrélerons donc quantitativement les flux de chaleur aux gradients thermiques, et nous aborderons les trois modes principaux de transfert de chaleur : la conduction, la convection et le rayonnement. Dans un premier temps, nous nous concentrerons sur chaque mode envisagé séparément. Chaque mode sera présenté sous l'angle de son origine physique  et de sa modélisation (équations de conservation, de diffusion, ...). Par la suite, nous aborderons les transferts multi-modaux. Les concepts seront par ailleurs illustrés et mis en pratique au travers de diverses applications pratiques (ailette de refroidissement, échangeurs de chaleur "classiques", caloducs, ...). 

Les acquis d'apprentissage visés par l'UE

Au terme de cet enseignement, l'étudiant.e sera donc capable :

  • de décomposer un problème en différents sous-problèmes, et d'identifier les modes de transferts de chaleur présents ;
  • d'appliquer les principes de conservation et les lois constitutives adéquates ;
  • de mettre en oeuvre et d'utiliser des méthodes numériques de résolution adéquates en vue de quantifier les transferts de chaleur ;
  • d'interpréter et d'analyser de façon critique les résultats relatifs aux transferts de chaleur.

Les méthodes d'enseignement-apprentissage

L'UE Transfert de chaleur, à AA unique, comprend majoritairement des séances ex cathedra ainsi que quelques séances de travaux dirigés. En outre, un projet de groupe, baptisé TP Laplace, vient compléter ce dispositif d'apprentissage.

Le volume horaire de ce cours est de 24 heures, généralement dispensée en 12 séances de 2 heures. Ces séances sont organisées selon la structure suivante :

  1. Etude de la conduction : généralités, équation générale de Fourier, conditions aux limites, parois plane et tubulaire, conductivité, analogie électrique.
  2. Etude de la convection : généralités, base théoriques, loi de Newton, coefficient de convection, parois plane et tubulaire, conduite cylindrique recouverte d'un manchon isolant, ailette, barre encastrée, convection naturelle et forcée.
  3. Etude du rayonnement : généralités, grandeurs fondamentales, lois fondamentales, échange de chaleur, rayonnement des gaz.
  4. Similitudes : couche limite de vitesse et de température, nombres adimensionnels (Froude, Mach, Reynolds, Grashof, Péclet, Nusselt, Prandlt), théorème de Vashy-Buckingam, régimes laminaire et turbulent, écoulements interne et externe.
  5. Echangeurs de chaleur : types (parallèle, contre-courant, caloducs), nombre d'unités de transfert NUT, différence de température moyenne logarithmique.

Le projet TP Laplace a pour vocation de compléter la formation théorique de l'étudiant.e. Ce projet de groupe consiste à developper un code de calcul (sous l'environnement OCTAVE) destiné à simuler le comportement thermique (conduction, convection et éventuellement rayonnement) d'une structure en vue d'y déterminer les champs de température et de flux de chaleur obtenus par une méthode de différences finies. Cet apprentissage par projet vise également à développer la créativité, l'esprit de groupe, ainsi qu'à renforcer les compétences numériques de l'étudiant.e.

Engagement attendu de la part de l'étudiant.e

Lors des séances ex cathedra, l'implication de l'étudiant.e consistera en une écoute attentive et une prise de notes. Par ailleurs, il.elle sera encouragé.e à poser des questions chaque fois que cela est nécessaire. Nous lui conseillons d'oser mobiliser cette possibilité de questionnement. Enfin, dans cette UE, les concepts abordés sont à la fois théorique et pratique : il est donc conseillé de réaliser régulièrement des synthèses du cours théorique et de résoudre les exercices, ceci afin d'effectuer les liens cognitifs entre les volets théorique et applicatif. 

Dans le cadre du projet TP Laplace, des balises (i.e. : des étapes sous forme d'exercices à réaliser selon un échéancier) sont proposées aux différents groupes. Il est vivement conseillé de les atteindre selon le calendrier proposé afin de ne pas accumuler du retard lors de la phase de finalisation du projet. 

Examen écrit

Cette épreuve présente des modalités similaires pour toutes les sessions. Elle est organisée durant la session. Il s'agit d'un examen. Cette épreuve est individuelle. Concrètement, l'épreuve repose sur une formulation écrite. L'épreuve repose sur des réponses longues, réponses courtes, réponses choisies parmi des propositions, formulations personnelles. Elle se déroule à cours fermé. La correction de cette épreuve est assurée par validation d'un.e enseignant.e.

Projet de groupe

Cette épreuve présente des modalités spécifiques à la 1re session. Elle est organisée avant la session. Il s'agit d'un travail. Cette épreuve est en équipe de travail. Concrètement, l'épreuve repose sur une formulation écrite. La correction de cette épreuve est assurée par validation par l’enseignant et par autoévaluation.

Règles de l’UE

Quels sont les supports et matériels de cours indispensables ?

Supports et matériels de cours

L'ensemble des notes du cours est disponible gratuitement et téléchargeable au format .pdf sur la plateforme d'apprentissage en ligne Moodle (https://learn.helmo.be). La clef d'accès sera communiquée lors de la première séance du cours théorique. Ces notes de cours comprennent :

  • Les diapositives vues au cours théorique. Ces dias couvrent l'ensemble de la matière enseignée au cours ex cathedra, et elles en épousent la même structure en chapitre. Elles seront avantageusement complétées et annotées par les étudiant.e.s durant le cours.
  • Divers exercices qui seront envisagés lors des travaux dirigés (TD).
  • Diverses ressources utiles (articles, chapitres d'ouvrages de référence, ...) dans le cadre du projet TP Laplace.

Nous conseillons également à l'étudiant.e soucieux d'approfondir ses connaissances de consulter l'ouvrage suivant : A Heat Transfer Textbook (5th ed.), John H. Lienhard IV, John H. Lienhard V, Phlogiston Press, 2020, Cambridge, Massachusetts, U.S.A.

Ce dernier est accessible gratuitement à l'adresse suivante : http://web.mit.edu/lienhard/www/ahtt.html

Comment la note globale de l’UE est-elle déterminée ?

Explication de la pondération des différentes épreuves

En première session, pour le calcul de la note globale de l'UE (/20), les deux épreuves de l'UE sont pondérées comme suite : 

  • examen écrit : 80 % ;
  • projet de groupe : 20 %. 

Une non-remise du projet sera sanctionnée par une note finale de l'UE de 0/20. Par ailleurs, ce projet constitue une activité non remédiable.

En seconde session, la note globale est couverte par l'examen écrit (20 points attribuables).

Quelles sont les informations administratives de cette UE ?