2.12.23 (873)

Enseignement spécifique des masters - MEC_51052_EP : Méthodes numériques en mécanique des fluides

Descriptif

La modélisation numérique est depuis longtemps devenu un outil indispensable dans tous les domaines de la mécanique. En recherche, elle permet d'obtenir l'information des systèmes mécaniques à un degŕe souvent inaccessible par voie expérimentale. En industrie, la simulation numérique est employée pour éffectuer des études paramétriques et pour l'optimisation. Ce cours introduit les méthodes numériques nécessaires pour la solution des systèmes linéaires et non-lineaires, et des équations différentielles (ordinaires et partielles) intervenant en mécanique des fluides. Les enjeux fondamentaux de la stabilité et de la convergence des méthodes numériques sont traités, tout en gardant l'accent sur leur mise en pratique. L'enseignement se fera en anglais, sous un format intégré de cours et de travaux pratiques. Les méthodes enseignées seront implémentées en utilisant le langage Python, sous forme de Jupyter notebooks.

Objectifs pédagogiques

L'obejctif du cours est de familiariser les élèves avec les principes fondamentaux de la modélisation numérique, ainsi que leur mise en oeuvre pour traiter des problèmes variés en mécanique. Dans la deuxième partie, l'accent est sur les exigences particulières de la dynamique des fluides numériques. La connaissance de Python n'est pas prérequise, mais sera acquise au cours des exercices.

36 heures en présentiel

66 heures de travail personnel estimé pour l’étudiant.

Diplôme(s) concerné(s)

Format des notes

Numérique sur 20

Littérale/grade européen

Pour les étudiants du diplôme Diplôme d'Ingénieur de l'Ecole Nationale Supérieure de Techniques Avancées (Institut polytechnique de Paris)

Le rattrapage est autorisé (Note de rattrapage conservée)
  • le rattrapage est obligatoire si :
    Note initiale < 7
  • le rattrapage peut être demandé par l'étudiant si :
    7 ≤ note initiale < 10
L'UE est acquise si Note finale >= 10
  • Crédits ECTS acquis : 5 ECTS

Programme détaillé

La première partie du cours (3 séances) traite les techniques de base du calcul numerique, la deuxième partie du cours est consacrée plus spécifiquement à la mećanique des fluides. **Cours 1 :** la méthode des différences finies, techniques directes et itératives pour la résolution des systèmes linéaires (décomposition LU, méthode de Jacobi, méthode du gradient conjugué). **Cours 2 :** techniques d’intégration en temps pour les problèmes à conditions initiales (Euler explicite/implicite, Crank–Nicolson, Runge–Kutta, Adams–Bashforth), analyse de leur stabilité (valeurs propres et analyse de Neumann). **Cours 3 :** techniques de résolution pour les problèmes non linéaires (méthode de tir, itération de Newton–Raphson). **Cours 4 :** équations aux dérivées partielles paraboliques, discrétisation par différences finies de l’équation de Stokes en 2D. Discussion des conditions de stabilité pour les problèmes de diffusion. Application : cavité entraînée dominée par la diffusion. **Cours 5 :** équations aux dérivées partielles paraboliques, discrétisation par différences finies de l’équation de Navier–Stokes en 2D. Discussion des conditions de stabilité pour les problèmes de convection. Application : cavité entraînée à nombre de Reynolds élevé. **Cours 6 :** méthodes spectrales (Fourier et Chebyshev). Application : intégration en temps de l’équation de la chaleur. **Cours 7 :** équations aux dérivées partielles hyperboliques, propagation d’ondes, situations dispersives et non dispersives, conditions limites non réfléchissantes. Application : ondes de surface en eau profonde et peu profonde, discrétisées par méthodes spectrales. **Cours 8 :** la méthode des éléments finis. Application : simulation de l'allée tourbillonnaire de von Kármán dans le sillage d’un cylindre. **Cours 9 :** aperçu des approches de simulation des écoulements turbulents (LES, DNS, RANS).

Mots clés

simulation numérique des écoulements, différences finies, methodes spectrales, éléments finis, stabilité numerique, problèmes aux limites et problèmes aux valeurs initiales

Méthodes pédagogiques

cours magistral, travaux pratiques
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