L option «Mécanique des Fluides Numérique» un exemple de formation au calcul scientifique

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1 O. THUAL, Professeur à l INP/ENSEEIHT Département

2 Exemples d options «calcul scientifique» MATMECA : «Modélisation mathématique et mécanique» ENSTA : Option «Modélisation des systèmes» Ecole Polytechnique (X) : Parcours d approfondissement «Sciences de l ingénieur, simulation et modélisation» Centrale Paris : Option «Mathématiques appliquées» Université Joseph Fourier : Master «Mathématiques appliquées» INSTN, ENS Cachan, : Master «Sciences de l ingénieur, simulation et modélisation» ENPC : «Ingénierie mathématique et informatique» ENSEEIHT : Option «Mécanique des fluides numérique» Etc 2

3 Un point de vue partiel Créateur et responsable de l Option «Mécanique des Fluides Numérique» à l ENSEEIHT (10 ans) Directeur du Département à l ENSEEIHT (3 ans) Responsable d un groupe «environnement» (6 ans) Recherches en mécanique des fluides à l aide de simulations numériques Intervenant à l Ecole de la Météorologie (10 ans) Ingénieur chercheur à Météo-France (10 ans) Chercheur simulation numérique directe et spectrale (4 ans) Reponsable d une équipe «modélisation» : climat, coupleurs, assimilation de données (15 ans) Professeur chargé de cours dans le Département de Mécanique : environnement, aérodynamique, milieux continus (11 ans) 3

4 Les écoles d ingénieurs en France BAC+5 BAC+4 BAC+3 BAC+2 BAC+1 BAC FORMATIONS SPECIALISEES MASTER CLASSES PREPA. C P P D U T A T S MASTER MAITRISE LICENCE DEUG 4

5 Une école d ingénieur : l ENSEEIHT etc laboratoires UT1 Sciences Sociales UT2 Le Mirail UT3 Paul Sabatier INP Toulouse INSA Toulouse ISAE Sciences Po ENIT CUFR Champollion EMAC ENVT EI Purpan ENAC ENFA ENS Archi ESC Toulouse ENSAT ENSEEIHT ENSIACET Génie Electrique et Automatique Electronique Informatique et Mathématiques Appliquées Mécanique des Fluides Télécommunications et Réseaux 5

6 Département Former des ingénieurs généralistes en mécanique des fluides dans les domaines de l énergie, des transports, des procédés et de l environnement. Développer leur adaptabilité au monde de l entreprise : culture scientifique, formation humaine, maîtrise de l anglais, international. 70 élèves ingénieurs par an 75% Concours Commun Polytechnique 25% Admis sur titre 2/3 font un semestre à l étranger 24 enseignants permanents 100 intervenants extérieurs 2 masters de recherche 2 mastères spécialisés Transmettre des compétences professionnelles : modélisation, approches expérimentales ou simulations numériques. 6

7 Département Les transports : hydraulique de puissance, mécanique des structures, aérodynamique des véhicules (trains, avions, véhicules spatiaux, lanceurs, automobiles, ) L aménagement et le génie hydraulique : hydraulique, gestion des ressources en eau, morphologie fluviale et côtière, pollution, transferts dans les sols, hydrologie L énergie : production et transport, génie pétrolier, combustion, moteurs, échangeurs de chaleur, générateurs de vapeur, changement de phase, systèmes réactifs, turbomachines, pompes, Les procédés : transformation de la matière, transfert réactif, lits fluidisés, conduite de processus, filtration, réacteurs polyphasiques 7

8 Semestre A Les connaissances de base 1Hy Semestre B Les premiers pas du mécanicien Stage d insertion en entreprise ou séjour linguistique (de 1 à 2 mois) Semestre C La mécanique des fluides 2Hy Semestre D Hydraulique et spécialisations Stage en entreprise ou en laboratoire de recherche (de 2 à 3 mois) 3Hy Option Option Option Option Fluides et procédes Energétique Mécanique des fluides numérique Sciences de l eau et environnement Génie de l environnement Bureau d Etudes Industrielles (1,5 mois) Stage : Projet de Fin d Etudes (de 5 à 6 mois) 8

9 Cours 10% 10% Langues et sport Sciences humaines Stages TD/TP Au moins 40 % : contact secteur aval 10% 10% 10% Mathématiques appliquées Calcul scientifique Métrologie et Automatisme 10 semaines à l étranger minimum De 8 à 11 mois de stage 10% 10% 20% 10% Hydraulique Mécanique des structures Mécanique des Fluides Energétique et Procédés 9

10 semestre A Les connaissances de base Milieu continu Mécanique des milieux continus Thermodynamique PREMIERE ANNEE 1Hy Langues, sport et sciences humaines semestre B Les premiers pas du mécanicien Mécanique des fluides Mécanique des fluides Expériences numériques, FLUENT Maths pour l ingénieur Intégration, transformée de Fourier Probabilités, statistiques Calcul scientifique Informatique appliquée Différences finies et analyse de schémas Outils de la mécanique Mécanique rationnelle Variable complexe et logiciel Matlab Hydraulique et métrologie Hydraulique en charge Signaux et systèmes Programmation Algorithmes et méthodes, Langage C Langage FORTRAN Mécanique du Solide Elasticité linéaire Projet de mécanique Stage d insertion en entreprise ou séjour linguistique 10

11 semestre C DEUXIEME ANNEE semestre D La mécanique des fluides Mécanique des fluides Ondes de surface et ressauts hydraulique Couches limites, jets et sillages laminaires 2Hy Langues, sport et sciences humaines Hydraulique et spécialisations Hydraulique et aérodynamique Hydraulique à surface libre Ecoulements compressibles Turbulence Introduction à la turbulence Etude des écoulements turbulents Analyse de Fourier des signaux turbulents Transferts Echanges thermiques et massiques Expériences numériques, FLUENT Introduction aux spécialisations Volumes finis Contrôle et commande Introduction à la mécanique des structures Energétique et transferts Machines hydrauliques Turbomachines à gaz Transferts en milieux poreux Majeures Hydraulique numérique de l environnement Hydraulique de puissance Mécanique des structures Mineures Eléments finis, contrôle des canaux, Aérosols, moteurs, génie nucléaire, Stage en entreprise ou en laboratoire de recherche 11

12 Semestre A Les connaissances de base 1Hy Semestre B Les premiers pas du mécanicien Stage d insertion en entreprise ou séjour linguistique (de 1 à 2 mois) Semestre C La mécanique des fluides 2Hy Semestre D Hydraulique et spécialisations Stage en entreprise ou en laboratoire de recherche (de 2 à 3 mois) 3Hy Option Option Option Option Fluides et procédes Energétique Mécanique des fluides numérique Sciences de l eau et environnement Génie de l environnement Bureau d Etudes Industrielles (1,5 mois) Stage : Projet de Fin d Etudes (de 5 à 6 mois) 12

13 Mécanique des fluides numérique Objectifs pédagogiques : Compléter la formation en Mécanique des fluides Approfondir la formation en calcul numérique Maîtrise et développement des codes industriels Sens physique outils numériques / applications Contexte industriel et pédagogique : Modélisation numérique d écoulements complexes Transports, énergétique, environnement,... EADS, EDF/GDF, CNES, IFP, CS-SI, SIMULOG,... Laboratoires : IMFT, CERFACS, IRIT,... 13

14 Mécanique des fluides numérique Mécanique des fluides semestre E 3Hy pour l énergétique Combustion Ecoulements diphasiques Méthodes numériques et interfaces Ecoulements gaz-particules Utilisation du code SATURNE ou pour l environnement Couche limite atmosphérique Hydrodynamique littorale et côtière Transport et mélange Transport sédimentaire et morphodynamique BES Ecoulements à surface libre Modélisation et simulation des écoulements turbulents Physique des écoulements turbulents incompressibles Modèles de turbulence pour les simulations numériques stationnaires Simulation numérique directe et simulation des grandes échelles Méthodes numériques pour les écoulements Méthodes numériques pour la simulation des écoulements incompressibles Méthodes numériques pour la simulation des écoulements compressibles BES Ecoulement incompressibles BES Schémas et conditions aux limites Calcul scientifique intensif Anglais et sciences humaines Calcul parallèle Informatique pour le calcul scientifique BES maîtrise des codes industriels 14

15 Exemple de travaux : code AVBP 15

16 Maîtrise du code industriel FLUENT 16

17 3Hy Les «Bureaux d Etudes Industrielles» (BEI) BEI «Energétique, Fluides et Procédés» : 50 étudiants - 22 sujets - 6 encadrants - THALES ALIENA SPACE, AREVA, CNES, DASSAULT, EDF, GDF, IFP, INOVENNE, PSA, RENAULT, RHODIA, St GOBAIN, SAIPEM, TOTAL Problème d ingénieur Travail en autonomie progressive Solution non-connue, si elle existe BEI «Energies Renouvelables et Environnement» : 45 étudiants - 6 sujets - 5 encadrants - HYDRATEC, DHI, VEOLIA, EDF, ELIOTH, STAR TECHNOLOGIES 17

18 Génie Energétique Partenaire : EDF Combustion en lit fluidisé Compétences: Transfert, Combustion, Diphasique, Milieux granulaires, Agitation-Mélange, Echangeurs Outil : SATURNE/NEPTUNE Masse volumique du charbon (droite) Quantité de charbon réactif (gauche) à t = 3,07 s pour T = C 18

19 Génie côtier Partenaires : SOGREAH, IFREMER, DDE Aménagement du littoral dans le bassin d Arcachond Compétences : Hydraulique à surface libre, Transport sédimentaire, Déferlement des vagues Outil : TELEMAC 2D, JADIM 19

20 Bilan de l option MFN Création en 1997 avec le Département Informatique Abandon du Département Informatique faute d étudiants informaticiens Rayonnement du calcul scientifique vers les autres options et années Attrait pour cette option difficile à maintenir auprès des élèves ingénieurs Effectifs de l Option MFN : 12 étudiants en moyenne Exemple d entreprises : EDF AREVA NP RENAULT SOGREAH AIRBUS CERFACS GDF SAFEGE TOTAL VEOLIA ALTRAN PSA 20

21 Quelques réflexions sur la formation au calcul scientifique Beaucoup de formations d ingénieurs traitent de la simulation Le secteur aval doit promouvoir l image du calcul scientifique Le calcul scientifique doit être présent tôt dans la formation Il faut renforcer l accès des formations aux moyens de calcul Les filières informatiques débouchent peu vers ces métiers Le doctorat est une bonne formation au calcul scientifique L image du calcul scientifique peut être revalorisée On peut combiner séjour à l étranger et formation au calcul Etc 21