Descriptif
La maîtrise des transferts thermiques est primordiale au XXIème siècle. Le coût associé à la génération et à l’utilisation de l’énergie est tel que le « transfert de chaleur », son stockage, ou l’isolation sont des phénomènes qui nécessitent généralement des études poussées. Celles-ci permettent d’optimiser la consommation d’énergie dans les procédés industriels ou chez le particulier. Ce cours, constitué de cours magistraux (22h), de travaux dirigés (12h), d’études de cas sous environnement numérique (9h) et d’une journée de travaux pratiques (7h), a pour but de comprendre et d’analyser les transferts thermiques dans diverses situations.
Objectifs pédagogiques
Le but de ce cours est de présenter les principales formes de transfert thermique ainsi que leurs origines microscopiques, et de proposer des méthodes de dimensionnement d’équipements. Une attention particulière est accordée à l’analyse énergétique de certains composants et/ou appareils utilisés dans le domaine de l’optique.
A l'issue de cet enseignement, les élèves seront capables de:
- Intégrer la photonique aux autres dimensions du système ou projet (électronique, mécanique, informatique, champ d'application …)
- Modéliser des phénomènes physiques et des systèmes réels
- Evoluer dans un large champ scientifique
Diplôme(s) concerné(s)
UE de rattachement
- 7S-311-PHO : Information et Energie
Pour les étudiants du diplôme Diplôme d'ingénieur de l'Institut d'Optique Théorique et Appliquée
Thermodynamique simple ; Eléments de physique du solide ; Notions de physique statistique
Format des notes
Numérique sur 20Pour les étudiants du diplôme Diplôme d'ingénieur de l'Institut d'Optique Théorique et Appliquée
Vos modalités d'acquisition :
Nombre d'évaluations: 1 note en contrôle continu (coeff 1/3 de la note finale) +1 note en examen final (coeff 2/3 de la note finale)
Nature de l'évaluation: contrôle continu et examen écrit final
Modalités de chaque évaluation: aucun document / calculatrice autorisée
- le rattrapage est obligatoire si :
- Note initiale < 6
Le coefficient de l'UE est : 75
Programme détaillé
· Introduction : Les différents modes de transferts de l’énergie. La consommation énergétique mondiale et les pertes thermiques. Rappels de thermodynamique : équilibre thermodynamique local, définition de la température.
· Conduction thermique
- Origine microscopique : diffusion de gaz de particules (molécules d’air, phonons) et équation de Boltzmann.
- Conduction thermique linéaire : la loi de Fourier et ses limites ; l’équation de la chaleur.
- Analyse dimensionnelle (nombres de Fourier, Biot), analogie électrique
- Solutions de différents problèmes « classiques » en régimes stationnaire et transitoire : source ponctuelle, milieux semi-infinis, milieux finis, ailette.
· Transferts convectifs
- Origine et rappels de mécanique des fluides. Régimes laminaire et turbulent : nombres de Reynolds, Prandtl, Nusselt.
- Convection naturelle : approximation de Boussinesq, nombres de Grashof et Rayleigh
- Convection forcée. Convection interne et convection externe. Notion de corrélation.
· Rayonnement thermique
- Origine microscopique. Rayonnement d’équilibre, lois de Planck et de Wien ; limites de l’approche radiométrique.
- Corps opaques en milieu transparent et facteurs de formes. Absorption, émission, diffusion. Loi de Kirchhoff.
- Equation des transferts radiatifs. Milieux semi-transparents et approximation (diffusive) de Rosseland. Milieux gris.
· Transferts thermiques avec changements de phase : ébullition, condensation, échangeurs, caloducs.
· Application au dimensionnement d’équipements optiques et non-optiques.