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Responsable(s) François Garnier

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École de technologie supérieure

Responsable(s) de cours : François Garnier


PLAN DE COURS

Hiver 2021
MEC558 : Introduction à la dynamique des fluides numériques (3 crédits)


Modalités de la session d’hiver 2021


Pour assurer la tenue de la session d’hiver 2021, les modalités suivantes seront appliquées :


La plupart des cours de la session d'hiver seront donnés à distance. Les autres seront donnés en présence si la situation socio-sanitaire le permet. Cette information est disponible sur l’horaire de la session d’hiver diffusé sur le site de l’ÉTS ainsi que sur Cheminot.

L’étudiant inscrit à un cours à distance doit avoir accès à un ordinateur, un micro, une caméra et un accès à internet, idéalement de 10Mb/s ou plus. L’étudiant doit ouvrir sa caméra et/ou son micro lorsque requis, notamment pour des fins d’identification ou d’évaluation.


Les cours à distance pourraient être enregistrés, à la discrétion de l’ÉTS, afin de les rendre disponibles aux étudiants inscrits aux cours.


La notation des cours sera la notation régulière prévue aux règlements des études de l'ÉTS.


Les examens intra se feront normalement à distance. Les examens finaux se feront normalement en présence si la situation socio-sanitaire le permet.


Pour les examens (intra, finaux) qui devaient se faire à distance, leur surveillance se fera à l’aide de la caméra et du micro de l’ordinateur et pourrait être enregistrée. Ceci est nécessaire pour se conformer aux exigences du Bureau canadien d’agrément des programmes de génie (BCAPG) afin d’assurer la validité des évaluations.

Le contexte actuel oblige bien sûr l’ÉTS à suivre de près l’évolution de la pandémie de COVID-19, laquelle pourrait entraîner, avant ou après le début de la session d’hiver 2021, un resserrement des directives et recommandations gouvernementales. Nous vous assurons que l’ÉTS se conformera aux règles en vigueur afin de préserver la santé publique et que, si requis, elle pourrait aller jusqu’à interdire l’accès physique au campus universitaire et ordonner que toutes les activités d’enseignement et d’évaluation soient exclusivement données à distance pour tout ou partie de la session d’hiver 2021.

Des exigences additionnelles pourraient être spécifiées par l’ÉTS ou votre département, suivant les particularités propres à votre programme.

En vous inscrivant ou en demeurant inscrit, vous acceptez les modalités particulières de la session d’hiver 2021.


Nous vous rappelons que vous avez jusqu’au 17 janvier 2021 pour vous désinscrire de vos cours et être remboursé.


Pour les nouveaux étudiants inscrits au programme de baccalauréat uniquement, vous avez jusqu’au 31 janvier 2021 pour vous désinscrire de vos cours et être remboursé.




Préalables
Programme(s) : 7684,7884
             
  Profils(s) : Tous profils  
             
    MEC335    
             
Unités d'agrément
Total d'unités d'agrément : 58,8 40,0 % 60,0 %




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

Acquérir les concepts de base de la mécanique des fluides numériques (CFD) en général et plus particulièrement ceux associés aux méthodes de différences finis (MDF) et des volumes finis (MVF). Appliquer ces concepts à la simulation numérique d’écoulements typiquement rencontrés dans les applications de génie mécanique.

À la fin de ce cours, l’étudiant sera en mesure :

  • d’appliquer les mathématiques de base de la méthode des différences finis et des volumes finis à des modèles simples;
  • de résoudre des problèmes de différences et de volumes finis pour des cas simples (1D, stationnaire et instationnaire);
  • de modéliser des problèmes simples et complexes en utilisant un logiciel commercial de CFD et interpréter les résultats;
  • de concevoir et analyser des expériences de fluide numérique;
  • de rédiger un rapport de qualité professionnelle présentant toutes les étapes d’une analyse CFD.

Rappel des principales équations de conservation. Principes de base et rappel des méthodes numériques (dérivation et intégration). Applications au problème de diffusion pure (1D, stationnaire et instationnaire). Applications au problème de transport-diffusion (1D, stationnaire et instationnaire). Introduction à la méthode des volumes finis. Applications aux calculs d’écoulements : Équations de Navier-Stokes et algorithmes pour le calcul de la pression. Introduction à la turbulence et à sa modélisation. Applications aux calculs d’écoulements turbulents. Évaluation critique d’une solution d’écoulement obtenue par CFD.

Séances de travaux pratiques composés d’exercices choisis pour illustrer la théorie vue en classe. Laboratoires d’introduction à l’utilisation de logiciels spécialisés en CFD typiquement utilisés par l’industrie pour permettre de mettre en pratique les notions vues en classe. Projet de calcul d’écoulements turbulents appliqués au génie mécanique.




Objectifs du cours

Ce cours de 3 crédits a pour objectif d’introduire les étudiants aux principaux concepts de base de la mécanique des fluides numérique (CFD) en général et plus particulièrement ceux associés aux méthodes de différences finis (MDF) et des volumes finis (MVF). Appliquer ces concepts à la simulation numérique d’écoulements typiquement rencontrés dans les applications de génie mécanique.

 

À la fin du cours, l’étudiant sera capable :

  • d’appliquer les mathématiques de base de la méthode des différences finis et des volumes finis à des modèles simples;
  • de résoudre des problèmes de différences finies pour des cas simples (1D, 2D stationnaire et instationnaire);
  • de modéliser des problèmes simples et complexes en utilisant un logiciel commercial de CFD (STAR-CCM+) et interpréter les résultats;
  • de concevoir et analyser des expériences de fluide numérique;
  • de rédiger un rapport de qualité professionnelle présentant toutes les étapes d’une analyse CFD.



Stratégies pédagogiques

Chaque semaine, 3 heures d’enseignement magistral sont prévues ainsi que 2 heures de travaux pratiques en co-modal. Ces périodes d’enseignement et de travaux pratiques (TP) devraient être complétées par de l’étude et du travail personnel correspondant à environ 5 heures par semaine en moyenne.

 

En complément aux notions théoriques vues en classe, des séances de travaux pratiques composés d’exercices seront proposées. Des laboratoires d’introduction à l’utilisation de logiciels spécialisés en CFD typiquement utilisés par l’industrie seront mis en place pour permettre de pratiquer les notions vues en classe. Des projets de calcul d’écoulements turbulents appliqués au génie mécanique seront aussi proposés.




Utilisation d’appareils électroniques

Non applicable




Horaire
Groupe Jour Heure Activité
01 Jeudi 13:30 - 15:30 Laboratoire
Vendredi 13:30 - 17:00 Activité de cours



Coordonnées de l’enseignant
Groupe Nom Activité Courriel Local Disponibilité
01 François Garnier Activité de cours Francois.Garnier@etsmtl.ca A-2118
01 Mohamed Chouak Activité de cours cc-Mohamed.Chouak@etsmtl.ca
01 Sitraka Razanamparany Laboratoire sitraka.razanamparany.1@ens.etsmtl.ca



Cours

Sem.

Description

01

1.   Introduction

  1. Dynamique des fluides : Historique
  2. Présentation générale des algorithmes
  3. Applications et illustrations
  4. Objectifs

02

2.   Schémas aux différences finies : Discrétisation spatiale

  1. Problème modèle : Équation de diffusion
  2. Discrétisation par différences finies
  3. Discrétisaton à pas constants
  4. Discrétisation à pas variables et frontières

03

3.   Schémas aux différences finies : Discrétisation temporelle

  1. Méthodes implicites et explicites
  2. Méthodes explicites : Euler, Leap-frog, Adams-Bashforth
  3. Méthodes implicites : Euler, Crank-Nicholson, retardé, Adams
  4. Applications à la résolution de l’équation de diffusions 1D et 2D

04

4.   Erreurs et analyse de stabilité

  1. Généralités et définitions
  2. Consistance, précision et convergence
  3. Facteurs d’amplification et CFL
  4. Exercices d’applications

05

5.   Résolution numérique des systèmes algébriques

  1. Méthodes directs : Gauss (LU)
  2. Algorithme de Tomas
  3. Notions sur les méthodes itératives : Jacobi et Gauss-Seidel
  4. Exemples d’application

06

6.   Modélisation et simulation numérique en mécanique des fluides – Partie I

  1. Principes de base et concept de volume de contrôle
  2. Dérivées Eulériennes et Lagrangiennes
  3. Rappel sur les équations de Navier-Strokes 

07

Examen intra

08

7.   Modélisation et simulation numérique en mécanique des fluides – Partie II

  1. Formes conservatives et non conservatives
  2. Classification des équations de la mécanique des fluides
  3. Méthodes des volumes finis : application à l’équation de diffusion

09

8.   Application industrielle

  1. Description de l’application et des paramètres
  2. Mise en place et construction du maillage
  3. Conditions aux limites et initiales
  4. Post-traitement et analyse des résultats

10

 

   9.  Turbulence : théorie et modélisation – Partie I

  1. Définition et caractéristiques
  2. Exemples pratiques sur d'écoulements turbulents
  3. Transition du laminaire au turbulent
  4. Approches numériques pour la turbulence

11

   10. Turbulence : théorie et modélisation – Partie II

  1. Cascade de Kolmogorov et échelles caractéristiques
  2. Approche directe de la turbulence
  3. Approche statistique de la turbulence et décomposition de Reynolds
  4. Équations de REynolds (RANS)
12

   11. Turbulence : théorie et modélisation - Partie III

  1. Concept de viscosité turbulente et classes des modèles
  2. Modèles à 0, 1 et 2 équations : Longueur de mélange, k-Eps., RSM
  3. Modèles de tubulence avec le logiciel STAR-CCM+
  4. Modélisation avancée (notions) DNS et LES

13

   Pas de cours le 2 avril (jour férié)

14

   Présentations orales individuelles du projet CFD




Laboratoires et travaux pratiques

Sans objet




Utilisation d'outils d'ingénierie

Non applicable




Évaluation

La note finale sera établie à partir des travaux et examens en fonction de la pondération suivante :

Examen intra 50 %
Projet 45 %
Lab. numérique 5 %

 

Le projet est évalué par la remise d’un rapport écrit et par une présentation orale. La note de passage est fixée de manière globale à 50 %, mais une moyenne d’au moins 50 % à l’examen est nécessaire pour passer le cours.

 

Remarques :

  • L’examen partiel est d’une durée prévue de 3 heures et se déroulera durant une période de cours.
  • L’utilisation des calculatrices est permise aux examens.
  • La documentation permise à l'examen est limitée : 1 page manuscrite de notes seulement.
  • La date du projet sera confirmée en classe.
  • Les travaux remis en retard et sans justification valable seront pénalisés.

 




Double seuil
Note minimale : 50



Dates des examens intra
Groupe(s) Date
1 19 février 2021



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.



Absence à un examen
Dans les cinq (5) jours ouvrables suivants, 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 ou du SEG. Pour un examen final, l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Dans tous les cas, l’étudiant doit effectuer sa demande en complétant le formulaire prévu à cet effet qui se trouve dans son portail Mon ÉTS/Formulaires. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent immédiat, Activité compétitive d’un étudiant appartenant à un club scientifique ou un club sportif d’élite de l’ÉTS ou au programme « Alliance sport étude » 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/docs/ETS/Gouvernance/Secretariat-general/Cadre-reglementaire/Documents/Infractions-nature-academique ) 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

Sans objet




Ouvrages de références
  • Zikanov O., Wiley, Essential CFD, 2010
  • Versteeg H. K., Malalasekera, An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method, 2nd Edition, Pearson, 2007



Adresse internet du site de cours et autres liens utiles

https://ena.etsmtl.ca 




Autres informations

Calendrier des activités

 

Sem.

Dates

Description

Remarques

01

8 janvier

Cours 1

 

02

15 janvier

Cours 2

17 janvier : date limite de modification de choix de cours - avec remboursement

03

21 janvier

22 janvier

TP 1

Cours 3

 

04

28 janvier

29 janvier

Lab. numérique (évaluation)

Cours 4

Le lab. numérique (5 % de la note finale)

05

4 février

5 février

TP 2

Cours 5

 

06

11 février

12 février

TP 3

Cours 6

 

07

18 février

19 février

TP 4

Examen Intra

Examen Intra (50 % de la note finale) pendant la séance de cours

08

26 février

Cours 7

Pas de TP le 25 février : horaire du 22 février

09

4 mars

5 mars

Lab. projet CFD 1

Cours 8

Début du projet CFD dans la séacne de lab. Cours d'application industrielle.

10

11 mars

12 mars

Lab. projet CFD 2

Cours 9

14 mars : date limite de modification choix de cours sans échec, sans remboursement

11

18 mars

19 mars

Lab. projet CFD 3

Cours 10

 

12

25 mars

26 mars

Lab. projet CFD 4

Cours 11

 

13

1 avril

Lab. projet CFD 5

Pas de cours le 2 avril : jour férié

14

8 avril

9 avril

Lab. projet CFD 6

Présentations orales individuelles

Présentation orales individuelles du projet en ligne pendant la séance de cours