Objectifs par rapport aux acquis d'apprentissage du programme

• Imaginer, concevoir, réaliser et exploiter des machines, des équipements et des procédés pour apporter une solution à un problème complexe de production, de conversion et de transmission d'énergie en intégrant les besoins, les contraintes, le contexte et les enjeux techniques, économiques, sociétaux, éthiques et environnementaux.
• Identifier le problème complexe à résoudre et élaborer le cahier des charges en intégrant les besoins, les contraintes, le contexte et les enjeux techniques, économiques, sociétaux, éthiques et environnementaux.
• Mettre en oeuvre une solution choisie sous la forme d'un dessin, d'un schéma, d'un diagramme ou d'un plan conforme aux normes, d'un modèle, d'un prototype, d'un logiciel et/ou d'une maquette numérique.
• Évaluer la démarche et les résultats en vue de l'adaptation ou de l'optimisation de la solution proposée.
• Mobiliser un ensemble structuré de connaissances et de compétences scientifiques et de techniques spécialisées permettant de répondre, avec expertise et adaptabilité, aux missions de l'ingénieur civil en génie de l'énergie.
• Maîtriser et mobiliser de manière appropriée les connaissances, modèles, méthodes et techniques liés à la mécanique des solides et des fluides, les échanges d'énergie, le comportement dynamique et vibratoire des systèmes, la fabrication et la production mécanique, le fonctionnement des machines, les phénomènes physiques, les machines, équipements et procédés liés à la production, la conversion et la transmission de l'énergie.
• Évaluer la validité des modèles et des résultats compte tenu de l'état de la science et des caractéristiques du problème.
• Travailler efficacement en équipe, développer son leadership, prendre des décisions dans des contextes multidisciplinaires, multiculturels et internationaux.
• Interagir efficacement avec d'autres acteurs pour mener à bien des projets communs dans des contextes variés (multidisciplinaires, multiculturels et internationaux).
• Communiquer et échanger des informations de manière structurée - oralement, graphiquement et par écrit, en français et dans une ou plusieurs autres langues - sur les plans scientifique, culturel, technique et interpersonnel, en s'adaptant au but poursuivi et au public concerné.
• Argumenter et convaincre, tant à l'oral qu'à l'écrit, vis-à-vis d'un client, d'un collègue, des enseignants et des jurys.
• Utiliser et produire des documents scientifiques et techniques (rapport, plan, cahier des charges, ...) adaptés au but poursuivi et au public concerné.
• Agir en professionnel responsable, faisant preuve d'ouverture et d'esprit critique, inscrit dans une démarche de développement professionnel autonome.
• Faire preuve d'ouverture et d'esprit critique en mettant en regard aspects techniques et enjeux non-techniques des problèmes analysés et des solutions proposées.
• Exploiter de manière critique les différents moyens mis à disposition pour se documenter et se former de manière autonome.
• Contribuer par un travail de recherche à la solution innovante d'une problématique en sciences de l'ingénieur.
• Interpréter adéquatement des résultats en tenant compte du cadre de référence au sein duquel la recherche s'est développée.
• Communiquer, à l'écrit et à l'oral, sur la démarche et ses résultats en mettant en évidence tant les critères de de qualité scientifique de la recherche menée, que les potentialités d'innovation théoriques ou techniques et les possibles enjeux non techniques.

Acquis d'apprentissage de l'UE

Introduction aux méthodes numériques dans le monde du prototypage virtuel dans les domaines énergétiques des simulations d'écoulement de fluide, de transfert de chaleur et d'électromagnétisme.
Pour des problèmes d'analyse ou de conception impliquant des écoulements, des transferts thermiques et des champs électromagnétiques, l’objectif du cours est d'acquérir un esprit critique dans le domaine de l'électromagnétisme computationnel (CEM), de la dynamique des fluides computationnelle (CFD) et du transfert thermique computationnel (CHT) afin d'être capable :
• Décrire les concepts des méthodes aux différences finies (FDM), aux éléments finis (FEM) et aux volumes finis (FVM), leur potentiel et leurs limites.
• Résumer les différentes étapes et les méthodes de simulation les plus courantes 
• Comprendre ce qui est implémenté dans les codes existants et les logiciels commerciaux
• Contribuer au développement de logiciels CFD, CHT & CEM
• Faire un usage judicieux des simulations numériques et des logiciels commerciaux
• Savoir juger de la qualité des résultats de simulation
• Être capable de lire et de comprendre la littérature sur ce sujet
• Être capable de résoudre un problème simplifié en 1D, 2D ou 3D
• Utiliser ces connaissances comme base pour un éventuel Travail de Fin d’Etudes

Contenu de l'UE : descriptif et cohérence pédagogique

Partie 1 : Introduction

- Objectif du cours : Introduction à la CFD (Computational Fluid Dynamics), la CHT (Computational Heat Transfer) et la CEM (Computational Electromagnetics)
- La simulation numérique dans le monde du prototypage virtuel : rôle et intérêt de la CFD, de la CHT et de la CEM dans le développement de jumeaux numériques
- Pré-requis et exigences pour les simulations en CFD, CHT et CEM
- Rappels sur les équations aux dérivées partielles (EDP) : équations de Navier-Stokes pour les écoulements, équation de Fourier-Kirchhoff pour les transferts thermiques, équations de Maxwell pour l’électromagnétisme
- Processus de simulation et notion de maillage
- Nature mathématique des EDP et influence sur le choix des méthodes numériques
- Problème bien posé : conditions aux limites et conditions initiales
- Approximation discrète de la solution : problématiques d’échelle temporelle (raffinement temporel) et spatiale (raffinement spatial)
- Méthode des différences finies (FDM) : notion d’erreur de troncature, précision et lien avec l’interpolation polynomiale

Partie 2 : Électromagnétisme Computationnel (CEM)

- Formulations et modélisation
- Méthodes numériques en CEM
- Résolution de systèmes linéaires simultanés
- Formulation faible et méthode des éléments finis (FEM)
- Éléments de Whitney

Partie 3 : Mécanique des fluides numérique (CFD) et transfert thermique numérique (NHT)

- Méthodologie des volumes finis
- Schémas numériques de base : schémas explicites et implicites en temps
- Équations différentielles ordinaires (EDO) résultant de la formulation volumes finis
- Discrétisation spatiale et temporelle : Discrétisation des flux convectifs avec les schémas centrés et amont, Discrétisation des flux diffusifs, - Discrétisation temporelle (schémas implicites, explicites, Runge-Kutta, approche en temps fictif implicite)
- Techniques d’accélération de la convergence
- Méthodes basées sur la densité ou la pression pour les écoulements incompressibles
- Spécificités du transfert thermique numérique (NHT)
- Analyse des méthodes numériques : consistance, stabilité, convergence
- Traitement des conditions aux limites pour les écoulements compressibles

Partie 4 : Projet

Compétences préalables

Sans objet