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Responsable(s) Louis Dufresne

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École de technologie supérieure
Département de génie mécanique
Responsable(s) de cours : Louis Dufresne


PLAN DE COURS

Hiver 2019
MEC757 : Introduction à l’aérodynamique (3 crédits)



Préalables
Programme(s) : 7684
             
  Profils(s) : Tous profils  
             
    MEC335    
             
Unités d'agrément
Total d'unités d'agrément : 58,8 38,4 % 15,3 % 46,3 %




Qualités de l'ingénieur

Qn
Qualité visée dans ce cours  
Qn
  Qualité visée dans un autre cours  
  Indicateur enseigné
  Indicateur évalué
  Indicateur enseigné et évalué



Descriptif du cours
Étudier l’analyse et le design des formes dans l’optique de la conception aérodynamique. Sélectionner et exploiter l’outil d’analyse approprié en se basant sur des critères d’efficacité et de précision.

À la fin du cours l’étudiant sera en mesure :
• d’expliquer les principes de base qui gouvernent la portance et la traînée des corps aérodynamiques;
• d’évaluer la portance et la traînée d’un profil aérodynamique;
• d’évaluer la portance et la traînée d’une aile de géométrie simple;
• d’appliquer certains outils d’aérodynamique numérique à la conception d’ailes simples.

Rappel des équations de la dynamique des fluides : équations de Navier-Stokes, d’Euler et de Bernoulli. Couche limite. Similitude. Estimation de la traînée. Nomenclature des profils aérodynamiques et des ailes. Écoulements incompressibles et sans effets visqueux. Équations de Laplace et écoulements potentiels élémentaires. Portance, théorème de Kutta-Joukowski et condition de Kutta. Théorie des profils minces. Méthode de panneaux. Théorie de la ligne portante. Chargement aérodynamique des ailes. Effets de compressibilité.

Séances de travaux pratiques composés d’exercices choisis pour illustrer la théorie vue en classe. Laboratoire d’introduction à l’aérodynamique numérique incluant l’utilisation de logiciels d’analyse et de conception de profils et d’ailes.



Objectifs du cours

Ce cours de trois crédits a pour objectif de permettre aux étudiants :

  1. D’acquérir les concepts de base de la science aérodynamique qui permettent d’évaluer la portance et la traînée d’un corps;
  2. D’appliquer ces concepts à la caractérisation, l’analyse et la conception de profils et d’ailes simples.

Plus spécifiquement, le cours vise à fournir aux étudiants une introduction aux principaux éléments de l’aérodynamique subsonique dans le but de développer leurs compétences dans la conception et la caractérisation de formes aérodynamiques (profils et ailes) simples. De même, le cours vise aussi à développer chez les étudiants une bonne compréhension des phénomènes physiques de base qui gouvernent les écoulements externes. Au terme du cours, les étudiants devraient être en mesure :

  1. De concevoir et d’évaluer les caractéristiques aérodynamiques d’une aile simple;

  2. D’interagir professionnellement avec des praticiens spécialistes du domaine;

  3. De pouvoir progresser de manière autonome dans un des champs de spécialisation de l’aérodynamique avancée.




Stratégies pédagogiques

Chaque semaine, trois heures d’enseignement magistral sont prévues ainsi que deux heures de travaux pratiques en classe ou en laboratoire. Ces périodes d’enseignement et de travaux pratiques (TP) devraient être complétées par de l’étude et du travail personnel correspondant à environ cinq heures par semaine en moyenne.

En complément aux notions théoriques vues en classe, on présentera des exemples (en classe et/ou en TP) pour permettre aux étudiants de bien assimiler les concepts présentés. Une série d’exercices supplémentaires, à faire sur une base individuelle, sera également proposée selon la matière enseignée. Au besoin, une période de temps pourra aussi être réservée, en classe ou en TP, pour discuter et répondre aux questions concernant les exercices suggérés.




Utilisation d’appareils électroniques

L’utilisation d’appareils électroniques (tablettes, smart-phones, etc.) en classe à des fins autres que celles requises par le cours n’est pas permise.




Horaire
Groupe Jour Heure Activité
01 Lundi 13:30 - 17:00 Activité de cours
Jeudi 08:30 - 10:30 Travaux pratiques et laboratoire



Coordonnées de l’enseignant
Groupe Nom Activité Courriel Local Disponibilité
01 Pascal Doran Activité de cours cc-pascal.doran@etsmtl.ca



Cours

Organisation du cours

Sem. Description Section(s) du manuel Exercices suggérés*
01-03 1. Introduction, concepts de base et rappels
1. Bref historique 1.1, 1.2  
2. Propriétés physiques des fluides 1.4  
3. Statique des fluides et atmosphère standard 1.9 & Notes compl. 1.11, C-1.1 – C-1.5
4. Types d’écoulements 1.10  
5. Volumes de contrôle 2.2, 2.3 2.2, 2.7, 2.8
6. Conservation de la masse 2.4 C-1.6 – C-1.10
7. Conservation de la quantité de mouvement 2.5, 2.6 C-1.11, C-1.12
8. Équations de Navier-Stokes 15.2-15.4 15.1, 15.2, C-1.13
9. Théorie de la similitude 1.7, 1.8 1.8 – 1.10, C-1.14
10. Couches limites 1.11, 17.1-17.5, 18.2, 19.2 19.1 – 19.3, C-1.15, C-1.16
11. Traînée 1.5, 1.12, 6.6 1.15, C-1.17
04 2. Profils, ailes et paramètres caractéristiques
1. Nomenclature des profils 4.1, 4.2  
2. Effets physiques 1.5, 1.6, 1.12 1.2 – 1.6, 1.12, 1.15
3. Caractéristiques aérodynamiques des profils 4.3 4.1, 4.2, C-2.1, C-2.2
4. Nomenclature des ailes Notes compl.  
05-07 3. Écoulements incompressibles sans effets visqueux
1. Introduction 3.1  
2. Équations d’Euler et de Bernoulli 2.5, 3.2-3.6 3.1-3.7
3. Vorticité et circulation 2.12, 2.13 2.7 – 2.9, C-3.1
4. Écoulement irrotationnel et théorème de Kelvin 4.6 4.3
5. Fonction de courant et potentiel de vitesse 2.14-2.16 2.11, C-3.2 – C-3.4
6. Écoulements potentiels et équation de Laplace 3.7  
7. Écoulements potentiels élémentaires 3.9-3.12, 3.14 3.8 – 3.14, C-3.5, C-3.6
8. Cylindre non portant et portant 3.13, 3.18, 3.20, 3.15 3.15 – 3.19, C-3.7, C-3.8
9. Théorème de Kutta-Joukowski 3.16 3.20, 4.12
10. Méthode des panneaux sources 3.17  
08-10 4. Aérodynamique des profils : Théorie 2D
1. Génération de la portance 3.16, 4.1, 4.6  
2. Prédiction théorique de la portance 4.4, 4.5  
3. Théorie des profils minces 4.7 - 4.9 4.4 – 4.11, C-4.1 – C-4.4
4. Profils épais et méthode des panneaux tourbillons 4.10 & Notes compl.  
5. Contrôle de la couche limite et mécanismes hypersustentateurs 4.11 - 4.13  
11-12 5. Aérodynamique des ailes : Théorie 3D
1. Effets de bouts 5.1  
2. Système tourbillonnaire et loi de Biot-Savart 5.2 5.1, 5.2, C-5.1
3. Théorie de la ligne portante de Prandtl 5.3  
4. Distribution de portance elliptique 5.3 C-5.2, C-5.3
5. Distribution de portance arbitraire 5.3 C-5.4 – C-5.6
6. Traînée induite et rapport de forme 5.3 5.3 – 5.5, C-5.7 – C-5.11
13 6. Sujets complémentaires
1. Effets de compressibilité 7.3, 7.5, 8.3-8.5, 11.4, 11.6 11.2, 11.3
2. Effets de sol et autres... Notes compl.  

* Les exercices précédés d’un « C » (p. ex. C-1.1) proviennent de la liste des exercices complémentaires, les autres sont tirés du manuel.

 

Calendrier des activités

 

Cours

Dates

Description

Remarques

01

7 janvier

C — Introduction, concepts de base et rappels - I

 
 

10 janvier

TP — Pas de TP

 

02

14 janvier

C2 — Introduction, concepts de base et rappels - II

 

 

17 janvier

TP1

 

03

21 janvier

C3  - Introduction, concepts de base et rappels - III

 

 

24 janvier

TP2

 

04

28 janvier

C4 — Profils, ailes et paramètres caractéristiques

Devoir 1

 

31 janvier

TP3

 

05

4 février

C5 — Écoulements incompressibles et sans effets visqueux - I

 

 

7 février

TP4

Remise devoir 1

06

11 février

C6 — Écoulements incompressibles et sans effets visqueux - II

 

 

14 février

TP5 - Examen partiel (cours 1 à 5)

 

07

18 février

C 7— Écoulements incompressibles et sans effets visqueux - III

 

 

21 février

TP - Pas de TP (Relâche)

 

08

25 février

C8 — Aérodynamique des profils :Théorie 2D - I

Projet

 

28 février

TP6

 

09

4 mars

C9 — Aérodynamique des profils :Théorie 2D - II

 

  7 mars

TP7 - Démo XFLR5

 
10 11 mars

C10 — Aérodynamique des profils : Théorie 2D - III

Date limite d'abandon : 13 mars
  14 mars

TP8

 

11

18 mars

C11 — Aérodynamique des ailes : Théorie 3D - I

Devoir 2
 

21 mars

TP9

 

12

25 mars

C12 — Aérodynamique des ailes : Théorie 3D - II

 

 

28 mars

TP10

 

13

1er avril

C13 — Effets de compressibilité

 

  4 avril

TP11

Remise devoir 2



Laboratoires et travaux pratiques

Sans objet.




Utilisation d'outils d'ingénierie

Sans objet.




Évaluation
Activité Description % Date de remise
Examen partiel

Est d’une durée prévue de 2 heures et se déroulera durant une période de travaux pratiques. L’utilisation des calculatrices est permise aux examens.

Aucun autre document qu’un résumé manuscrit  sans exemple ne sera permis aux examens. La longueur du résumé est d'une page recto-verso.

30 Sera précisée en classe
Examen final

Est d’une durée prévue de 3 heures et se déroulera durant la période des examens finaux. L’utilisation des calculatrices est permise aux examens.

Aucun autre document qu’un résumé manuscrit sans exemple ne sera permis aux examens. La longueur du résumé est de deux pages recto-verso.

40 À venir
Devoirs Les travaux remis en retard et sans justification valable seront pénalisés. 10 Sera précisée en classe
Projet Les travaux remis en retard et sans justification valable seront pénalisés. 20 Sera précisée en classe

 

Note importante : La note de passage est fixée de manière globale à 50 % mais une moyenne d’au moins 50 % aux examens est nécessaire pour passer le cours.

 




Date de l'examen final
Votre examen final aura lieu pendant la période des examens finaux, veuillez consulter l'horaire à l'adresse suivante : http://etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Examens-finaux


Politique de retard des travaux
Tout travail (devoir pratique, rapport de laboratoire, rapport de projet, etc.) remis en retard sans motif valable, c’est-à-dire autre que ceux mentionnés dans le Règlement des études (1er cycle, article 7.2.7 b / cycles supérieurs, article 6.5.4 b) se verra attribuer la note zéro, à moins que d’autres dispositions ne soient communiquées par écrit par l’enseignant dans les consignes de chaque travail à remettre ou dans le plan de cours pour l’ensemble des travaux.

Dispositions additionnelles

Les travaux remis en retard sans justification valable seront pénalisés.

 

 




Absence à un examen
• Pour les départements à l'exception du SEG :
Dans les cinq (5) jours ouvrables suivant la tenue de son examen, l’étudiant devra justifier son absence d’un examen durant le trimestre auprès de la coordonnatrice – Affaires départementales qui en référera au directeur du département. Pour un examen final, l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent immédiat ou autre) à un examen entraînera l’attribution de la note zéro (0).

• Pour SEG :
Dans les cinq (5) jours ouvrables suivant la tenue de son examen, l’étudiant devra justifier son absence auprès de son enseignant. Pour un examen final, l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent immédiat ou autre) à un examen entraînera l’attribution de la note zéro (0).



Plagiat et fraude
Les clauses du « Règlement sur les infractions de nature académique de l’ÉTS » s’appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département. Les étudiants doivent consulter le Règlement sur les infractions de nature académique (https://www.etsmtl.ca/A-propos/Direction/Politiques-reglements/Infractions_nature_academique.pdf ) pour identifier les actes considérés comme étant des infractions de nature académique ainsi que prendre connaissance des sanctions prévues à cet effet.  À l’ÉTS, le respect de la propriété intellectuelle est une valeur essentielle et les étudiants sont invités à consulter la page Citer, pas plagier ! (https://www.etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Citer-pas-plagier).



Documentation obligatoire

Le manuel suivant est recommandé pour le cours :

 

ANDERSON, J.D., 2011 Fundamentals of Aerodynamics. McGraw-Hill, 5th Ed.




Ouvrages de références
  • Abbott, I.H. & von Doenhoff, A.E. 1949 Theory of Wing Sections. McGraw-Hill; Dover republication 1959.
  • Anderson, J.D. 2005 Introduction to Flight.  McGraw-Hill, 5th ed.
  • Ashley, H. & Landahl, M. 1965 Aerodynamics of Wings and Bodies. Addison-Wesley Publ. Co.; Dover republication 1985.
  • Bertin, J.J. & Smith, M.L. 1998 Aerodynamics for Engineers.  Prentice-Hall, 3rd ed.
  • Çengel, Y.A. & Cimbala, J.M. 2006 Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications.  McGraw-Hill.
  • Glauert, H. 1947 The Elements of Aerofoil and Airscrew Theory.  Cambridge Univ. Press, 2nd ed.
  • Katz, J. & Plotkin, A.  2001 Low-Speed Aerodynamics.  Cambridge Univ. Press, 2nd ed.
  • Kroo, I. 1997 Applied aerodynamics — A digital textbook.  Desktop Aeronautics Inc. (CD-ROM).
  • Kuethe, A.M. & Chow, C.-Y. 1998 Foundations of Aerodynamics. J. Wiley & Sons, 5th ed.
  • Mccormick, B.W.  1995 Aerodynamics, Aeronautics, and Flight Mechanics. J. Wiley & Sons, 2nd ed.
  • Milne-Thomson, L.M. 1958 Theoretical Aerodynamics. Macmillan & Co., 4th ed.; Dover republication 1973.
  • Munson, B.R., Young, D.F. & Okiishi, T.H. 2006 Fundamentals of Fluid Mechanics. J. Wiley & Sons, 5th ed.
  • Moran, J. 1984 An Introduction to Theoretical and Computational Aerodynamics. J. Wiley & Sons; Dover republication 2003.
  • Phillips W.F. 2004 Mechanics of Flight. J. Wiley & Sons.
  • Thwaites, B. (ed.) 1960 Incompressible Aerodynamics. Oxford Univ. Press; Dover republication 1987.
  • Von Kármán, T. 1957 Aerodynamics. Cornell Univ. Press; Dover republication 2004.
  • Von Mises, R. 1959 Theory of Flight.  Dover.



Adresse internet du site de cours et autres liens utiles

https://ena.etsmtl.ca




Autres informations

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