Master FLowERED

FLuides pour l’EneRgiE Durable

FLowERED

Conception, modélisation, simulation et optimisation de systèmes énergétiques mettant en œuvre des fluides

Site web en travaux – informations non-contractuelles

Transport et propulsion, Procédés industriels, Conversion, utilisation et transport d’énergie, Bâtiment, Environnement

Présentation

Le parcours FLowERED est axé sur la maîtrise des fluides et leur utilisation pour la transformation de l’énergie de manière sure, efficace et propre. Il forme à la simulation et à la modélisation des écoulements fluides, aux transferts de masse et de chaleur, aux changements de phase et aux réactions chimiques, ainsi qu’à leurs couplages avec les procédés chimiques et/ou électriques. Une attention particulière est portée aux technologies innovantes liées par exemple à l’utilisation de l’hydrogène et à la décarbonation des procédés de conversion de l’énergie.

La première année de master vise à fournir les bases en sciences des transferts et leurs applications. Elle forme à la maîtrise des fluides, ainsi qu’à leur utilisation. Des notions de mesures physiques et génie électrique sont également assurées pour acquérir les connaissances de base de l’instrumentation des systèmes énergétiques. La deuxième année forme à des technologies spécifiques (comme la production de chaleur et de froid, les systèmes énergétiques diphasiques, la production et distribution de gaz), aux couplages multi-physiques, et aux milieux complexes (milieux hétérogènes), pour la transformation de l’énergie.

Tout au long du master (1ère et 2ème années), la modélisation (programmation de modèles, modélisation et méthodes), la simulation numérique (de type locale et instantanée (CFD) et/ou multi-physique, ou les approches systèmes), ainsi que les outils de simulation numérique, sont enseignés pour acquérir les compétences en modélisation et simulation numérique des systèmes et des procédés énergétiques.

Les défis de la transition énergétique et des nouvelles technologies sont abordés tout au long de la formation par des enseignements généralistes (comme l’Interaction énergie, climat, environnement, ressources naturelles) et spécifiques (comme le Power-to-X qui vise la conversion et le stockage de l’énergie électrique excédentaire produite par des sources renouvelables, ou l’Hydrogène qui forme à l’utilisation du H2 comme vecteur énergétique sur et efficace). Des partenaires industriels interviennent dans le master à plusieurs niveaux pour former les étudiants à des technologies spécifiques (tels que la production de biogaz et de gaz renouvelable, le stockage (H2, CO2), etc.) ou partager leur expertise en matière d’efficacité énergétique et performance industrielle, ainsi que sur les enjeux économiques et sociaux liés à la transition énergétique. L’interaction avec des scientifiques et des industriels permet aux étudiants de se confronter à des questions d’actualité et de se projeter vers leur futur métier. Le master FLowERED est ouvert à l’alternance en M1 et M2.

Fondamentaux :

Écoulements et transferts sans ou avec changements de phase et/ou réactions, en milieux homogènes et hétérogènes

Applications :

  • Production de chaud et de froid
  • Filière gaz (biogaz, H2, gaz de synthèse)
  • Moteurs / propulsion
  • Procédés décarbonés
  • Pile à combustible
  • Hybridation électrique
  • Sécurité hydrogène

Secteurs d’activités :

Industrie, transport, bâtiment, tertiaire

Submerged H2/air flame stabilized in a silicon carbide porous structure (www.imft.fr)

Compétences :

Dimensionner, concevoir, optimiser des procédés énergétiques mettant en œuvre des fluides (moteurs, réacteurs, échangeurs, systèmes couplés, réseaux, etc.). Réaliser/développer des modèles à l’aide de la simulation numérique (technologies existantes ou de rupture). Concevoir des prototypes expérimentaux. Définir et/ou conduire des tests et des essais. Conduire des projets de conception ou d’hybridation de systèmes utilisant des fluides avec les autres sources d’énergie.

Débouchés :

Professionnels : Ingénieur (d’études, méthodes, d’essais, calcul et modélisation, recherche et développement, production, exploitation, sécurité, maintenance, technico-commercial, conseil, etc.). Poursuites d’études : thèse de doctorat.

Mobilité durable au BioGNV/GNV (Gaz Naturel Véhicule)

PARTENARIAT INDUSTRIEL

La formation bénéficie de l’expertise de partenaires industriels expérimentés dans le domaine de l’énergie. GRDF intervient principalement sur la thématique gaz renouvelables (gaz « verts », comme le BioGNV, cf. lien ci-dessus) et les nouveaux usages associés. GARCIA ÉNERGIE apporte son expérience dans les métiers techniques (Froid, Thermique, Fluide, Électricité, Énergétique) et le management de la performance énergétique. TotalEnergies, leader mondiale de la production et de la fourniture d’énergies, apporte son expertise sur le stockage, l’efficacité énergétique et la filière H2.

H2/air swirl stabilized flame with laser tomographic snapshot of the air flow seeded with small oil particles (www.imft.fr)

RECHERCHE

Le master, bien qu’à vocation professionnel, s’appuie sur des enseignements aussi bien théoriques permettant une poursuite en thèse de doctorat. Un fort lien existe avec la recherche pour ce qui concerne la filière gaz, en particulier l’hydrogène (combustion, sécurité, pile à combustible) et, plus en générale, pour les applications de mécanique des fluides et transferts. Les laboratoires concernés sur le site Toulousain sont principalement l’IMFT et le LAPLACE.

Un technocampus de l’hydrogène implanté en 2024 à Francazal

HYDROGÈNE

FLowERED fait partie des formations qui ont adhéré au projet GENHYO (GENération HYdrogène Occitanie), lauréat de l’appel à manifestations d’intérêt « Compétences et métiers d’avenir » (cf. liens ci-contre). Parmi les activités prévues, des travaux pratiques sur des bancs de combustion, comme piloter une chaudière H2 domestique, seront effectués dans le Technocampus de Francazal, à partir de son ouverture (prévue à partir de 2024, cf. lien ci-dessus).

Formation hydrogène : le projet GenHyO lauréat de l’AMI « Compétences et métiers d’avenir »

https://pole-rhyo.univ-toulouse.fr/

Organisation du master :

891 heures d’enseignement présentiel sur deux ans, 496 heures en M1 et 395 heures en M2. Les enseignements sont assurés par des cours, des travaux dirigés et des travaux pratiques. La répartition est la suivante : 26% de cours, 12% de cours-TD, 39% de TD et 23% de TP. Des projets et un stage de fin d’étude contribuent également à la formation et à l’évaluation. Un module de 12 heures de conférences permet aux étudiants de se confronter à des thèmes d’actualité dans le domaine de l’énergie. Le master FLowERED est fortement mutualisé avec les autres parcours de la mention Énergie, ainsi qu’avec les parcours de la mention Mécanique. La première année est commune au parcours DET de la mention Énergie.

Blocs disciplinaires

Transferts

Transferts thermiques

Combustion

Thermodynamique

Turbomachines

Production de chaleur et de froid

Transferts thermiques couplés

Fluides

Mécanique des fluides

Turbulence

Physique des Plasmas

Modélisation et méthodes en mécanique des fluides

Milieux hétérogènes

Energie

Hydrogène

Interaction énergie, climat, environnement, …

Biogaz et gaz renouvelables

Efficacité Énergétique Industrielle

Production et distribution du gaz

Stockage de l’énergie

Power-to-X

Mesures physiques / Génie électrique

Capteurs

Instrumentation

Projet avec Arduino

Métrologie et traitement statistique

Numérique / Maths

Outils mathématiques

Méthodes numériques

Simulation numérique

Programmation de modèles

Outils de simulation système

Simulation numérique en dynamique des fluides (CFD)

Professionnalisation

Anglais

Professionnalisation, Gestion financière d’un projet

Projets

Conférences

Stage

Objectif. Caractérisation des champs de température et de flux d’énergie pour des systèmes solides d’intérêt technologiques à l’aide de modèle simplifiés. Contenu. Introduction aux différents modes de transferts de la chaleur, au bilan d’énergie thermique et à l’équation de la chaleur pour des systèmes solides. Étude des conditions aux limites et aux interfaces, et du couplage avec les autres modes de transfert de chaleur. Transfert par conducto-convection aux parois, loi de Newton. Traitement du rayonnement aux interfaces par des approches simplifiées. Loi de Fourier. Résolution de problèmes de conduction de la chaleur 1D pour des systèmes passifs et actifs. Ailettes. Transfert de chaleur instationnaire pour des systèmes thermiquement mince. Introduction au transfert de chaleur multidimensionnel et à la résolution de problèmes pour des géométrie complexe par la méthode des éléments finis. Illustrations de résolution de problèmes à l’aide de logiciels.

Objectif. Modélisation physique et mise en œuvre de méthodes de résolution des problèmes de transfert de chaleur. Illustration sur des exemples concrets des différents modes de transferts et de leur couplage. Contenu. Conduction thermique en régime variable, conduction multidimensionelle. Convection forcée et naturelle, analyse dimensionnelle, méthodes de résolution du transfert de chaleur dans des couches limites laminaires, impact du nombre de Prandtl. Rayonnement d’équilibre, propriétés radiatives des matériaux, échanges radiatifs entre surfaces diffuses, méthodes de résolution de problèmes d’échange radiatif entre des corps opaques séparés par des milieux transparents.

Objectif. Introduction aux méthodes de résolution des problèmes de couches limites. Extension aux écoulements libres visqueux anisotropes. Contenu. Analyse dimensionnelle et séparation écoulement externe / couche limite. Solutions élémentaires potentielles écoulement externe, théorème de Bernouilli. Obtention de l’équation de Prandtl pour la couche limite. Conditions limites et raccordement asymptotique. Résolution par méthode semblable (autosimilaire) pour quelques écoulements externes potentiels standards : uniforme (plaque d’incidence nulle), point d’arrêt, diffuseur, etc. Calcul de force de traînée visqueuse. Extension de l’équation de Prandtl et de sa résolution aux écoulements libres visqueux anisotropes : jet cartésien, couche de mélange, etc. Résolution du problème de couche limite par méthode intégrale : obtention de l’équation de Karman-Polhausen. Application au développement de la couche limite sur plaque plane et comparaison avec la méthode semblable. Polynômes de Polhausen comme ersatz pour la méthode intégrale, et application à la résolution du problème de couche limite autour d’un cylindre. Décollement de la couche limite. Approche phénoménologique et prédiction pour le cylindre par l’approche intégrale. Origine de la force de traînée : distinction entre force de traînée visqueuse et force de traînée de pression.

Objectif. Connaissances théoriques approfondies en théorie cinétique des gaz. Ces connaissances fondamentales serviront de base à la compréhension des différents phénomènes physiques mis en jeu au sein des plasmas froids et des décharges électriques haute et basse pression : phénomènes électro-hydrodynamiques, cinétique réactionnelle, phénomènes de transport (transfert de masse et de particules, transfert de quantité de mouvement, transfert de charges et d’énergie). Contenu. Généralités (définitions d’un plasma froid et d’une décharge électrique). Éléments de théorie cinétique des gaz (hypothèses principales, fonction de distribution, équation de Boltzmann et processus collisionnels, lois de similitudes, fonction de distribution en équilibre avec le champ électrique, exemple de résolution de l’équation de Boltzmann. Modèle fluide (moments de l’équation de Boltzmann, relations de fermeture, couplage avec les équations de Maxwell et cohérence des modèles, le modèle d’ordre 1 dans l’approximation dérive-diffusion). Gaines et relations fondamentales dans un plasma (gaines anodique et cathodique, mise en équation à partir des moments d’ordre 0 et 1 du modèle fluide, interprétation physique, résolution des équations, étude d’une paroi en potentiel flottant et fixe, longueur de Debey, Pulsation plasma, degré d’ionisation).

Objectif. Former à la formulation variationnelle d’un problème aux limites. Ce cours pose les bases mathématiques nécessaires à l’utilisation de la méthode des éléments finis. Contenu. Méthodes variationnelles : passage formel d’un problème aux limites à un problème variationnel et réciproquement. Calcul de dérivées partielles et résolution d’EDP élémentaires et la dérivation de fonctions définies par des intégrales à paramètres et/ou à bornes variables. Équation de transport à coefficient constant dans R, équation de la chaleur (homogène puis non homogène).

Objectif. Introduction à la méthode des éléments finis et mise en œuvre sur Matlab et Freefem. Contenu. EDP limites typiques, conditions aux limites et problèmes bien posés. Éléments finis P1 en dimension 1. Maillages bidimensionnels, application au problème modèle 2D. Formules de Green. Formulations variationnelles des problèmes elliptiques d’ordre 2. Traitement éléments finis de problème elliptique 1D avec conditions aux limites de Dirichlet inhomogènes. Éléments finis de Lagrange P1, EF de Lagrange P2, Intégration numérique sur un triangle.

Objectifs. Savoir analyser, interpréter, présenter un résultat de mesure, de contrôle, d’analyse ou d’essai sous la forme : valeur numérique, unité, incertitude. Connaître les exigences normatives et les seuils de confiance dans les résultats des mesurages. Contenu. Bases de probabilités et de statistique : variables aléatoires discrètes et continues, fonction de répartition, probabilité et densité de probabilité, espérance mathématique, moments. Principales lois de probabilité. Calcul d’intervalles de confiance. Couples de variables aléatoires, lois jointes, corrélation, indépendance, lois conditionnelles, règle de Bayes, marginalisation, vecteurs aléatoires. Notion de convergence de lois. Statistiques sur un échantillon : fonction de répartition empirique, densité empirique, moments empiriques, loi des moments empiriques. Évaluation des incertitudes de mesures selon l’ISO 98. Types d’incertitudes : Type A ; Type B. Incertitude composée. Incertitude élargie. Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure.

Objectif. Connaître les notions de base sur les capteurs en instrumentation industrielle, ainsi que les grandes familles de capteurs de gaz couramment utilisés dans le monde industriel afin de permettre un choix raisonné pour répondre à une problématique spécifique de mesure. Maitriser les principes physiques et chimiques qui leur sont associés. Contenu. Bases transversales : familles de capteurs (actifs ou passifs, intégrés, composites…), caractéristiques métrologiques (sensibilité, linéarité, rapidité, étalonnage, limites …). Micro-capteurs de gaz (qualité de l’air) : contexte, principes de mesure et notions fondamentales de chimie et physique du solide nécessaires à la compréhension des mécanismes impliqués dans la détection gazeuse. Exemples de micro-capteurs de gaz (catalytiques, infrarouge, électrochimiques, oxydes résistifs ou capacitifs), fonctionnement détaillé des capteurs résistifs (détection du monoxyde de carbone) et capacitifs (mesure du taux d’humidité), mesure et performances.

Objectif. Connaître les différents acteurs du climat et de comprendre leurs rôles et leurs interactions sur le système climatique, l’impact des consommations d’énergie sur le climat, les scenarii de prospective énergétique,et les plans d’action recommandés par les institutions internationales pour limiter les émissions de CO2, les minéraux de la transition énergétique sous tension, les outils permettant de comparer les différentes énergies sous l’angle économique, technique et environnemental, l’état actuel des engagements nationaux et internationaux après les Accords de Paris et la COP 26 de Glasgow (Nov. 2021). Contenu. Les acteurs du climat et le système climatique : le soleil, l’atmosphère, l’océan, la cryosphère, la biosphère, la croûte continentale. Paléoclimats, climats et variations climatiques. Les minéraux de la transition énergétique sous tension. Les enjeux climatiques, les besoins mondiaux en Énergie et les objectifs de réduction des émissions de CO2. Analyse des leviers permettant de réduire les émissions de CO2. Analyse détaillée des principales énergies renouvelables. Comparaison économique et environnementale des différentes énergies. Les effets du COVID 19 sur la demande énergétique et l’impact sur les émissions de CO2. Le défi de la mobilisation des parties prenantes et de la mise en application des nouvelles technologies

Objectif. Niveau C1/C2 du CECRL (Cadre Européen Commun de Référence pour les Langues). Permettre aux étudiants de développer les compétences indispensables à la réussite dans leur future vie professionnelle en contextes culturels variés. Acquérir  l’autonomie linguistique nécessaire et de perfectionner les outils de langue spécialisée  permettant  l’intégration professionnelle et la communication d’une expertise scientifique dans le contexte international. Contenu. Développement de compétences liées à la compréhension de publications scientifiques ou professionnelles rédigées en anglais ainsi que les compétences nécessaires à la compréhension de communications scientifiques orales. Outils d’expression permettant de maîtriser une présentation orale et/ou écrite et d’aborder une discussion critique dans le domaine scientifique, (ex. rhétorique, éléments linguistiques, prononciation…). Maîtrise des éléments d’argumentation critique à l’oral et/ou à l’écrit d’une publication scientifique. Réflexion plus large sur la place, l’intégration et le rayonnement en tant que scientifiques dans la société, abordant des questions d’actualité, d’éthique, d’intégrité.

Objectif. La combustion représente toujours 80 % de l’énergie consommée dans le monde. Ce module permet aux étudiants de rentrer dans cette thématique. Il s’agit ici de définir l’état final (température, polluants) en fonction de l’état initial et des paramètres de fonctionnement. Contenu. Thermodynamique des systèmes réactifs : formalisation d’un système réactif, définition des grandeurs thermodynamiques, température de fin de combustion, équilibre chimique. Cinétique de la combustion homogène gazeuse : taux de réactions (Arrhenius, Lindemann), schémas réactionnels de l’hydrogène et du méthane. Hypothèse quasi-stationnaire et schémas cinétiques simplifiés, auto-allumage et sécurité, formation de polluants. Cinétique de la combustion hétérogène : notion de site, d’absorption, d’adsorption et de mobilité, réaction de surface. Équations des écoulements réactifs : diffusion moléculaire (vitesse de diffusion, écoulement de Stefan), équations de l’énergie. Flamme prémélangée et non-prémélangée.

Objectif. Introduction générale à la physique et à la description mathématique de la turbulence. Introduction aux échelles caractéristiques et aux processus physiques de la turbulence. Introduction aux méthodes de résolution d’écoulements turbulents. Contenu. Description de la turbulence : moyennes, fonctions de corrélation, longueurs intégrales, etc… Modèle de turbulence homogène isotrope (THI) : cascade turbulente, hypothèses de Kolmogorov, spectre en k-5/3. Application de la THI au dimensionnement de simulations directes numériques (DNS). Équations de Reynolds (équations R.A.N.S.) pour la quantité de mouvement et pour l’enthalpie, et rôle du terme de dissipation visqueux. Problème de fermeture en turbulence et modèles de turbulence. Solutions analytiques pour des écoulements libres simples (jet libre, sillage, couche de mélange) avec transport scalaire (température, masse) au moyen de modèles simple de turbulence (algébrique à 0 équation). Turbulence sur paroi : théorie de la couche limite turbulente sur paroi lisse et application aux lois de frottement et aux échanges thermiques en conduite. Introduction à la convection turbulente.

Objectif. Présenter les différentes méthodes de discrétisation et les algorithmes les plus couramment utilisés en simulation numérique appliquée à la mécanique des fluides. Une attention particulière est portée à la méthode des volumes finis pour la résolution numérique des équations de Navier-Stokes incompressibles et compressibles. A travers des exemples simplifiés nous illustrerons les différences fondamentales existant entre les algorithmes de résolution pour les écoulements incompressibles et les écoulements compressibles. Cette option vise à mettre en œuvre les acquis du cours au travers de nombreux TP. Ces séances de TP conduiront l’étudiant au développement d’un code de résolution numérique des équations de Navier-Stokes incompressibles ou compressibles. Contenu. Introduction et rappels d’analyse numérique. La méthode des volumes finis. Résolution numérique des équations de Navier-Stokes incompressible. Résolution numérique des équations de Navier-Stokes compressible. Introduction aux problèmes aux interfaces.

Objectif. A partir de questions actuelles de recherches en physique énergétique, les outils de la thermodynamique statistique du hors équilibre sont présentés et utilisés pour proposer des modèles et en faire l’analyse. Les concepts centraux de la modélisation statistique sont rappelés et mis en œuvre (descriptions stochastiques et théorie des probabilités, approche en distribution, hypothèse des milieux continus, passages à la limite et approches intégrales, équations de Fredholm, formulation de Feynman-Kac). La mise en perspective pourra aussi bien concerner des aspects liés à la simulation numérique (Monte Carlo analogue et intégral) que les outils d’analyse pour aborder les systèmes à haut niveau de complexité géométriques ou phénoménologiques. Contenu. Probabilités et statistiques : rappels mathématiques. Modélisation statistique à l’échelle de la particule : les modèles microscopiques. Modélisation en distribution dans l’espace des phases : les modèles mésoscopiques. Du point de vue cinétique au modèle macroscopique.

Objectif. Apprendre le principe de l’intégration d’un capteur dans un système d’acquisition de mesures. Contenu. Le sujet du projet porte sur un thème enseigné ou transversal à plusieurs enseignements. Il est réalisé par groupes de 3 à 4 étudiants, selon un cahier des charges structuré en plusieurs tâches, et animé par un responsable de projet qui participe aussi à la réalisation d’une tâche.

Objectif. Apprendre les connaissances de bases associées aux dispositifs de production de gaz. Contenu. Chaîne du gaz naturel : production, transport, stockage, distribution et commercialisation. Rôle des gaz dans la transition énergétique : économiques, environnementaux, sociaux. Situation en France, en Europe et dans le monde. Scénarios 100 % gaz renouvelable en France et en Occitanie. La production des biogaz : procédés de méthanisation, réactions biologiques et chimiques, les intrants et les produits, procédés de pyrogazéification de biomasse et de combustibles solides de récupération (CSR) et la gazéification hydrothermale. Conversion électricité-gaz (PtG), la méthanation. Conception et financement d’un méthaniseur. Quizz et débat sur la transition énergétique co-organisé par les étudiants. Visite du site GRDF de Toulouse (bureau de conduite, bureau d’études, activité d’exploitation). Visite d’un ou deux sites de méthanisation.

Objectif. Connaître l’architecture générale d’une chaîne d’instrumentation.
Choisir et d’interfacer correctement les éléments qui composent une chaîne de mesures en fonction d’un cahier des charges, du capteur à l’ordinateur. Analyser une chaîne d’instrumentation afin de donner une estimation de l’incertitude de mesure. Développer une application sous LabVIEW qui lit ou crée des fichiers de données, les affiche, les traite (analyse spectrale, convolution, corrélation) puis les sauvegarde. Contenu. En s’appuyant sur des exemples concrets de chaînes de mesures, les différents étages d’une chaîne analogique et l’association de ces étages sont présentés et analysés en statique (choix des gains, des plages d’entrée et de sortie) et en dynamique (choix fréquence échantillonnage, filtrage, filtre anti-repliement). Les protocoles de transmission numérique de l’information sont aussi abordés. Les séances permettent de prendre en main le logiciel LabVIEW. Pour découvrir ce langage de programmation graphique et la manière dont les structures classiques (if, for, while) sont implémentées des exercices de difficultés croissantes sont proposés.

Objectif. Maîtriser les applications énergétiques mettant en œuvre des fluides. Contenu. Technologies-Applications. Généralités (Définition et classification/ Principe de fonctionnement : point de fonctionnement, puissance, rendement / Triangle des vitesses/ Théorie unidimensionnelle, Similitude, Applications) ; Turbomachines à fluides incompressibles (Turbopompes, Turbines hydrauliques, Éoliennes) ; Turbomachines à fluides compressibles (Turbines, Compresseurs, Turboréacteur); réseaux et problèmes d’exploitations.

Projet. L’objectif est de développer un esprit critique à l’égard de questions scientifiques/techniques qui nécessitent une solution. Le projet consiste à s’attaquer à des problèmes scientifiques, techniques et/ou pédagogiques concrets à différents niveaux de complexité, par la mise en œuvre des actions nécessaires à leur résolution. Comprendre le problème par une étude préalable du sujet. Identifier les points critiques du problème. Tracer un schéma de résolution en priorisant les points importants. Proposer des solutions ou des pistes d’amélioration. Une tâche importante du projet est sa restitution, à l’oral par une soutenance publique et à l’écrit par un rapport de synthèse.

Conférences. L’objectif de ce module est d’informer les étudiants, à travers une série de conférences, sur les applications et développements récents de la mécanique et de l’énergétique susceptibles d’orienter leur projet de formation et leur projet professionnel. L’objectif est aussi d’élargir leur horizon en termes de culture scientifique générale et de les sensibiliser aux enjeux économiques, environnementaux, éthiques et sociétaux liés aux disciplines scientifiques abordées dans le master et impactant les métiers et secteurs d’activité visés par la formation en mécanique énergétique. Le spectre des conférences est donc volontairement large, tant sur l’esprit que sur contenu, ainsi que la nature des conférenciers (chercheur, ingénieur, associatif, journaliste, etc.).

Objectif. Gestion de projet : acquérir les pratiques et les savoir-faire associés à l’organisation du travail collectif et aux relations humaines. Organisation des entreprises : comprendre le fonctionnement des entreprises à travers leur environnement, leurs structures et fonctions. Appréhender le système d’information comptable, comprendre la situation financière d’une entreprise. Comprendre les règles et les mécanismes juridiques fondamentaux, comprendre les droits et obligations d’un ingénieur dans l’exercice de sa profession. Comprendre l’ensemble des directives de prise en compte et de mise en œuvre de la politique et des objectifs qualité nécessaires à la maîtrise et l’amélioration des divers processus d’une organisation qui génère l’amélioration continue de ses résultats et de ses performances. Contenu. Gestion de projet : rédaction d’un cahier des charges, management de projets, communication interne et externe, les bases des outils d’organisation projet, outils informatiques de gestion de projet et des outils d’ordonnancement, recherche des contraintes, modèles de compte-rendu, documentation, mémoire et présentation orale. Pour les chefs de projets : l’analyse stratégique en management de projet et sensibilisation à la gestion des ressources humaines responsable. Organisation des entreprises : organisation des entreprises, statut juridique, organisation administrative, enjeux économiques de l’entreprise, droit social et responsabilité, l’Ingénieur et ses responsabilités / éthique, normalisation, procédure qualité, certification.

Objectif. Développer une modélisation correcte d’un problème associé à la mécanique des fluides. Les modèles de base sont rappelés et des compléments sont apportés dans certains domaines jugés comme importants dans l’industrie ou la recherche. Contenu. Modélisation en mécanique des fluides. Éléments de la physique de la turbulence.
Modèles de turbulence appliqués à la CFD. Lois de paroi dynamiques et thermiques. Applications des théorèmes généraux de la mécanique des fluides. Modélisations par loi de similitude. Hydraulique, lois de frottement, coup de Bélier. Écoulement instationnaire compressible 1D. Modélisation d’écoulements visqueux.

Simulation Numérique en Dynamique des Fluides (CFD). Objectif. La complexité géométrique ou physique des problèmes de recherche ou industriels mettant en jeu des fluides est telle que le recours à la simulation numérique (CFD) est devenu indispensable. La CFD permet en effet de prédire le comportement d’un écoulement fluide dans des configurations qui seraient peu ou pas accessibles par l’expérience. Elle s’appuie sur la modélisation théorique et numérique des écoulements fluides ; une grande attention doit donc se consacrer au choix des modèles/méthodes/approches appropriés. Cette UE a pour objet de former à la mise en œuvre de la chaîne d’opérations associée à une simulation numérique, du pré-traitement, au calcul, à la validation et à l’analyse des résultats. Contenu. Présentation générale de la CFD et son utilisation dans les applications industrielles.
Approches numériques utilisées en CFD (DNS, LES, RANS, eulériennes, lagrangiennes, incompressibles, compressibles, à densité variable; etc).
Les trois étapes de la CFD. Pré-traitement (réalisation d’un maillage, choix des conditions initiales et aux limites). Utilisation d’outils de maillage et visualisation (Salomé, Paraview, etc.). Simulation numérique (choix des approches/méthodes, critères de convergence et stabilité). Utilisation de codes open-source (OpenFOAM, Code_Saturne, etc.). Post-traitement (outils/techniques de post-traitement, critères d’analyse). Utilisation d’outils de post-traitement / visualisation (Paraview, VisIt, etc.).

Projet fluides. Objectif. Développer des capacités à résoudre des problèmes de mécanique des fluides. Contenu. Le projet consiste à aborder des problèmes posés par l’équipe enseignante, sur des cas concrets de type industriel ou de recherche, ou sur des articles de recherche ou des rapports scientifiques/techniques. Le projet est réalisé à l’université ou dans l’entreprise pour les étudiants participant au programme d’alternance (qui travailleront sur le sujet qui leur a été attribué dans le cadre du programme d’alternance).

Transferts thermiques couplés  et simulation numérique multiphysique. Objectif. Former à la réalisation d’études et d’analyses de type bureau d’études en lien avec les problématiques liées à l’énergie et aux fluides à l’aide d’outils de simulation numérique. L’outil utilisé ici sera Comsol Multiphysics®, de plus en plus répandu dans le milieu industriel, de par sa polyvalence, sa facilité de prise en main et sa capacité à traiter des problèmes physiques fortement couplés. Cet enseignement est basé sur le traitement d’une série de problèmes différents et complémentaires qui permettent de couvrir une large étendue de situations et de problématiques scientifiques et techniques, par ordre croissant de complexité. Contenu. Bilans énergétique et conditions aux limites aux interfaces. Isolation thermique, conduction 1D instationnaire. Systèmes de chauffage, conduction et advection en 2D stationnaire. Stockage d’énergie, étang solaire – Cavité entrainée et convection naturelle. Transferts d’énergie, échangeurs de chaleur, transfert d’énergie calorifique par advection, optimisation. Géothermie, climatisation naturelle, puits canadiens, transferts de chaleur instationnaires. Dépollution, réduction d’émission, pot catalytique, écoulement et transfert de matière en milieu réactif. Biodégradation, valorisation des déchets, compostage, transferts couplés en milieux poreux. Chaque partie comporte un rappel des notions physiques ou mathématiques associées au problème à traiter à l’aide de la simulation numérique.

Projet énergétique. Objectif. Développer des capacités à résoudre des problèmes d’énergétique (transferts de chaleur couplés). Contenu. Le projet consiste à aborder des problèmes posés par l’équipe enseignante, sur des cas concrets de type industriel ou de recherche, ou sur des articles de recherche ou des rapports scientifiques/techniques. Le projet est réalisé à l’université ou dans l’entreprise pour les étudiants participant au programme d’alternance (qui travailleront sur le sujet qui leur a été attribué dans le cadre du programme d’alternance).

Objectif. Modéliser et résoudre divers problèmes dans les domaines d’applications du master sur la base d’une programmation en langage Python, en suivant des règles strictes de la programmation objet « propre » (clean code). Contenu. Retour sur le Python basique et ses fonctionnalités.
Programmation propre. Modules scientifiques du Python, pour le calcul, la visualisation et le traitement de données, l’optimisation, les régressions, etc.
Programmation orientée objet. Initiation au « Machine learning ». Apprentissage par mini-projets ou bureaux d’études suivis à travers des séances de TP.

Objectifs. Préparer aux métiers utilisant l’hydrogène comme vecteur énergétique, de l’utilisation en combustion jusqu’à la sécurité. Contenu. Introduction à la combustion de l’hydrogène : domaine de flammabilité, cinétique chimique, émissions de polluants, auto-allumage, vitesse de flamme, transition déflagration/détonation, limites d’extinction, instabilités thermo-diffusives. Combustion H2 laminaire : combustion prémélangée et partiellement prémélangée dans les bruleurs pour la cuisson et les chaudières domestiques, détection de flamme, mécanismes de stabilisation des flammes, interaction flamme paroi, retour de flamme, limite pauvre d’extinction, émissions de polluants. Combustion H2 turbulente : systèmes d’injection non prémélangés et partiellement prémélangés, mécanismes de stabilisation des flammes jets, longueur de flamme, injecteurs swirlés, phénomènes dynamique (allumage, extinction, instabilités). Sécurité hydrogène. Travaux pratiques dès 2025 sur le Technocampus de Francazal (bancs de combustion).

Objectifs. Préparer aux métiers utilisant l’hydrogène comme vecteur énergétique, de la production et du stockage jusqu’à son utilisation dans des systèmes. Contenu. Production et stockage de l’hydrogène : vers la production d’hydrogène vert (technologies, couplages, prix). État de l’art sur les piles à combustible et leurs utilisations dans des systèmes (différentes technologies de piles, éléments de conception, auxiliaires, systèmes). Caractérisation des composants piles à combustible et électrolyseur d’eau : compréhension des différents phénomènes physico-chimiques. Du composant au système : Impact des conditions opératoires sur les performances du composant en vue de son intégration dans un système. Travaux pratiques : banc pile à combustible et banc électrolyseur.

Objectif. Se familiariser avec les différentes techniques de « production » de chaleur et de froid. Acquérir les principes fondamentaux des systèmes diphasiques afin d’appréhender les systèmes énergétiques avec changement de phase. Contenu. Recensement de différentes techniques de « production » de chaleur et de froid. Focus sur les systèmes mettant en jeu le changement de phase liquide-vapeur. Rappel de thermodynamique de la transition de phase et de la physique des fluides. Notions de métastabilité de l’équilibre et de nucléation, lien entre transfert de chaleur et structuration des phases. Approches de modélisation des transferts de chaleur et de masse lors de la vaporisation et de la condensation avec ou sans écoulement. Mise en œuvre d’un cas applicatif (modélisation d’un composant de systèmes diphasique de type pompe à chaleur, boucle de régulation thermique capillaire ou pompée, etc.).

Outils de simulation système. Objectif. Caractériser et modéliser les systèmes énergétiques à l’échelle du système. Contenu. Introduction au génie des procédés, bilans massiques et enthalpiques dans les opérations unitaires (réacteur, colonne de distillation, compresseur, échangeur de chaleur…), notion sur les équilibres entre phases. Introduction à la modélisation systémique des procédés, règle de choix d’un modèle thermodynamique, simulation des opérations unitaires. Optimisation énergétique des procédés par la méthode du pincement, construction d’un réseau d’échangeurs. Travaux pratiques d’initiation à l’utilisation du logiciel de calculs thermodynamiques Prophy+ (PROSIM SA) : calculs de propriétés de corps purs et de mélange de constituants, calculs de données d’équilibre. Initiation à l’utilisation du logiciel de simulation des procédés ProSim+3 (PROSIM SA) : construction d’un flowsheet (succession d’opérations unitaires liées par des courants de matière et d’énergie), simulation de procédés chimiques et énergétiques, optimisation des conditions opératoires. Mise en œuvre de la méthode du pincement pour réduire la consommation énergétique d’un procédé.

Projet nouvelles technologies. Objectif. Développer des capacités à modéliser des systèmes énergétiques innovants en utilisant la simulation numérique à l’échelle du système. Contenu. Le projet consiste à aborder des problèmes posés par l’équipe enseignante, sur des cas concrets de type industriel ou de recherche. Le projet est réalisé à l’université ou dans l’entreprise pour les étudiants participant au programme d’alternance (qui travailleront sur le sujet qui leur a été attribué dans le cadre du programme d’alternance).

Objectif. Niveau C1/C2 du CECRL (Cadre Européen Commun de Référence pour les Langues). Permettre aux étudiants de développer les compétences indispensables à la réussite dans leur future vie professionnelle en contextes culturels variés. Acquérir  l’autonomie linguistique nécessaire et de perfectionner les outils de langue spécialisée  permettant  l’intégration professionnelle et la communication d’une expertise scientifique dans le contexte international. Contenu. Développement de compétences liées à la compréhension de publications scientifiques ou professionnelles rédigées en anglais ainsi que les compétences nécessaires à la compréhension de communications scientifiques orales. Outils d’expression permettant de maîtriser une présentation orale et/ou écrite et d’aborder une discussion critique dans le domaine scientifique, (ex. rhétorique, éléments linguistiques, prononciation…). Maîtrise des éléments d’argumentation critique à l’oral et/ou à l’écrit d’une publication scientifique. Réflexion plus large sur la place, l’intégration et le rayonnement en tant que scientifiques dans la société, abordant des questions d’actualité, d’éthique, d’intégrité. Niveau B2 comme pré-requis.

Stockage de l’énergie. Objectif. Se former aux différents moyens de stockage de l’énergie. Contenu. Batteries, STEP, volants d’inertie. Stockage de H2 et CO2.

Efficacité Énergétique Industrielle. Objectif. Études de cas développés par des ingénieurs des entreprises : systèmes électriques, systèmes mécaniques et fluides, équipements et réseaux de distribution thermiques. Étude de cas à développer dans les installations thermiques ou frigorifiques. Contenu. Systèmes électriques : grandeurs et mesurage, distribution, moteurs et variateurs, régulation. Système mécaniques et fluides : air comprimé, équipement et optimisation, pilotages, composants, rendements, circuits fluides. Équipements et réseaux de distribution thermiques : grandeurs thermiques (enthalpies sensibles et latentes, capacité, conductivité), production de chaleur (émetteurs électriques, chaudières, combustion, réseau de vapeur, réglages et optimisation), production de froid (groupes frigorifiques, amélioration des rendements thermiques, stockage).

Production et distribution du gaz – Principales Utilisations. Objectif. Connaitre la production d’énergie et les réseaux de distribution. Contenu. Production de chaleur et de froid pour l’habitat à partir de gaz : chaudières, pompes à chaleur, PAC hybrides, piles à combustibles et chaudières type Stirling. Systèmes de chauffage et de refroidissement pour l’industrie : production de chaleur, cuisson, production de froid. Production d’énergie mécanique et électrique à partir de gaz : moteurs et véhicules gaz, GNV, turbines. Connexion des réseaux de gaz aux autres réseaux d’énergie : structure des réseaux de gaz et connexions aux autres réseaux, sécurité et exploitation des réseaux, pilotage des conversions d’énergie et du stockage, réseaux « intelligents ». Visites de sites. Enseignements dispensés par des intervenants provenant d’entreprises du secteur de l’énergie.

Objectif. Présenter dans sa généralité une introduction à la ”science des poreux”, à partir des champs d’application visés dans le domaine des sciences de la nature ou de la technologie, en présentant les techniques de changement d’échelle nécessaires pour modéliser le comportement des fluides dans ces milieux complexes et en donnant une place importante aux méthodes d’investigation et d’analyse expérimentales, et en incluant un éventail des différents phénomènes physiques pouvant intervenir dans ce type de configuration. Contenu. Introduction : différents milieux poreux, topologie, hétérogénéité – homogénéité, applications, implications. Description et caractérisation géométrique des milieux poreux : structure poreuse, porosité, connectivité, volume élémentaire représentatif. Diffusion en milieu poreux : transferts de matière à l’échelle de pores, changement d’échelle, technique de prise de moyenne, problème macroscopique, coefficient de diffusion effectif, tortuosité. Écoulement monophasique en milieu poreux : loi de Darcy (expérience, changement d’échelle), perméabilité, cas des empilements, écoulements de gaz, corrections (Knudsen, inertie). Dispersion en milieu poreux : transport de matière en présence d’un écoulement, dispersion de Taylor, nombre de Péclet, tenseur de dispersion, dispersivité, solutions analytiques. Fluides non miscibles dans les milieux poreux – Capillarité : tension superficielle, loi de Laplace, mouillabilité, loi de Jurin. Les fluides à l’équilibre dans l’espace poreux : pression partielle de vapeur, loi de Kelvin, Hygroscopie. Comportement capillaire en milieu poreux : modes d’occupation diphasique de l’espace poreux, caractéristiques capillaires, imbibition, drainage, porométrie.

Objectif. Appliquer les compétences et les connaissances acquises au cours des études dans un environnement de travail, sur un sujet spécifique de niveau Master. Contenu. Stage d’une duré de 4 à 6 mois, dans une entreprise privée ou un établissement public afin de résoudre des problématiques et/ou des tâches bien identifiées, dans le cadre d’un projet industriel ou de recherche de niveau Master (Bac +5). Acquérir, valoriser et transférer des connaissances. S’intégrer et évoluer dans un environnement professionnel. Compétences visées. Être capable de proposer, développer, analyser et/ou mettre en œuvre des solutions à des problèmes d’ingénierie et/ou recherche.

Contacts

Enrica Masi & Thierry Schüller

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