Approche numérique d'écoulements complexes à l'échelle des pores en milieux poreux PDF Download
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Dans le cadre des écoulements à l'échelle du pore d'un milieu poreux, cette thèse de calculscientifique propose une méthode itérative de résolution de Stokes incompressible basée sur lapénalisation de la matrice solide et mettant en jeu le champ de vorticité. La méthode développéeici s'inspire des méthodes de vortex habituellement utilisées pour les écoulements externes où letransport est dominant, mais adaptée aux écoulements visqueux à petites échelles (bas Reynolds).Les propriétés de cette méthode numérique itérative, qui alterne et sépare les étapes de pénalisationet de diffusion, permettent de simuler des écoulements confinés dans l'espace poral enproposant une formulation ne faisant intervenir que des opérateurs usuels, permettant de s'affranchirde l'aspect non-séparable de l'équation de diffusion-pénalisation. On assure ainsi dessimulations à haute résolution et faible stockage mémoire, aussi bien sur des géométries simplesde référence que sur des géométries poreuses réelles, et les résultats sont confrontés à des donnéesexpérimentales ou théoriques. Le code de calcul implémenté est validé et exploité pour l'estimationde la perméabilité d'échantillons réels.Dans la continuité de ce travail sur les écoulements avec adhérence à l'interface, on généralisecette approche à la problématique de la rugosité des parois solides. On présente une méthode derésolution du problème de Stokes perturbé par ce type de rugosité à l'interface pores/matricemodélisé par une condition aux limites de glissement tangentiel de type Robin-Fourier.La thèse présente également un volet sur les écoulements à viscosité variable. On présenteainsi une simulation du problème de Stokes non-linéaire couplé avec une équation de diffusionet transport résolue par méthode particulaire. On s'intéresse à une simulation originale de l'écoulementde xanthane (modélisé via une loi de Carreau comme polymère rhéofluidifiant) dans une géométrie réelle de roche de type grès sableux Bentheimer. Les résultats présentés montrent lacapacité de la méthode à gérer des variations de viscosité importante. Également à propos de lamodélisation et de la simulation des écoulement à viscosité variable, et plus précisément de l'homogénéisationdes mélanges, on présente aussi un estimateur théorique de la viscosité effectivepour les mélanges aléatoires. Ce résultat est validé numériquement grâce à une méthodologie detype Monte-Carlo sur un grand nombre de simulations de Stokes.
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Dans le cadre des écoulements à l'échelle du pore d'un milieu poreux, cette thèse de calculscientifique propose une méthode itérative de résolution de Stokes incompressible basée sur lapénalisation de la matrice solide et mettant en jeu le champ de vorticité. La méthode développéeici s'inspire des méthodes de vortex habituellement utilisées pour les écoulements externes où letransport est dominant, mais adaptée aux écoulements visqueux à petites échelles (bas Reynolds).Les propriétés de cette méthode numérique itérative, qui alterne et sépare les étapes de pénalisationet de diffusion, permettent de simuler des écoulements confinés dans l'espace poral enproposant une formulation ne faisant intervenir que des opérateurs usuels, permettant de s'affranchirde l'aspect non-séparable de l'équation de diffusion-pénalisation. On assure ainsi dessimulations à haute résolution et faible stockage mémoire, aussi bien sur des géométries simplesde référence que sur des géométries poreuses réelles, et les résultats sont confrontés à des donnéesexpérimentales ou théoriques. Le code de calcul implémenté est validé et exploité pour l'estimationde la perméabilité d'échantillons réels.Dans la continuité de ce travail sur les écoulements avec adhérence à l'interface, on généralisecette approche à la problématique de la rugosité des parois solides. On présente une méthode derésolution du problème de Stokes perturbé par ce type de rugosité à l'interface pores/matricemodélisé par une condition aux limites de glissement tangentiel de type Robin-Fourier.La thèse présente également un volet sur les écoulements à viscosité variable. On présenteainsi une simulation du problème de Stokes non-linéaire couplé avec une équation de diffusionet transport résolue par méthode particulaire. On s'intéresse à une simulation originale de l'écoulementde xanthane (modélisé via une loi de Carreau comme polymère rhéofluidifiant) dans une géométrie réelle de roche de type grès sableux Bentheimer. Les résultats présentés montrent lacapacité de la méthode à gérer des variations de viscosité importante. Également à propos de lamodélisation et de la simulation des écoulement à viscosité variable, et plus précisément de l'homogénéisationdes mélanges, on présente aussi un estimateur théorique de la viscosité effectivepour les mélanges aléatoires. Ce résultat est validé numériquement grâce à une méthodologie detype Monte-Carlo sur un grand nombre de simulations de Stokes.
Author: Jean Barrère (auteur d'une thèse en Mécanique) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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ON ETUDIE LE PASSAGE D'ECOULEMENTS MICROSCOPIQUES A L'ECHELLE DU PORE, REGIS PAR LES EQUATIONS DE STOKES ET DE NAVIER-STOKES, AUX ECOULEMENTS MACROSCOPIQUES DANS UN MILIEU POREUX, REGIS PAR LA LOI DE DARCY. LES PRINCIPAUX POINTS D'ETUDES SONT: LE PASSAGE EN REVUE DES THEORIES DE PRISE DE MOYENNE ET L'ETABLISSEMENT DE L'EQUIVALENCE DE CELLES-CI ET LA THEORIE D'HOMOGENEISATION DANS LE CAS DE MILIEUX PERIODIQUES, LA DETERMINATION NUMERIQUE PAR UNE METHODE AUX DIFFERENCES FINIES, DE TENSEURS DE PERMEABILITE DANS DES MILIEUX PERIODIQUES ANISOTROPES TRIDIMENSIONNELS, L'ETUDE NUMERIQUE, PAR UNE METHODE AUX ELEMENTS FINIS, DES NON-LINEARITES EN REGIME DE NAVIER-STOKES DANS UN TREILLIS DE CYLINDRES. LA LOI MACROSCOPIQUE D'ECOULEMENT OBTENUE FAIT INTERVENIR UNE EXPRESSION CUBIQUE DE LA VITESSE DE FILTRATION
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AU-DELA DES METHODES RMN TRADITIONNELLES DE MESURE DE COEFFICIENTS DE DIFFUSION, NOUS AVONS PROPOSE ET UTILISE DE NOUVELLES METHODES RMN FONDEES SUR LES SEQUENCES D'ECHO STIMULE A GRADIENT PULSE ET LES SEQUENCES DE COTTS AFIN D'OBTENIR LES DEPLACEMENTS A L'ECHELLE MICROSCOPIQUE DANS UN MILIEU POREUX SOUS ECOULEMENT. LES LIMITES EXPERIMENTALES ET LES RESTRICTIONS D'UTILISATION DE LA TECHNIQUE ONT ETE ETUDIEES EN DETAIL. AINSI, LES CONTRAINTES DE L'APPAREILLAGE, LES EFFETS DE LA RELAXATION, DES INHOMOGENEITES D'INDUCTION MAGNETIQUE DANS L'ESPACE POREUX INTERSTITIEL ET DES FLUCTUATIONS DE VITESSE DES PARTICULES DE FLUIDE ONT ETE PRIS EN COMPTE ; CES DEUX DERNIERS EFFETS ONT FAIT L'OBJET D'UNE MODELISATION THEORIQUE ET DE CONFRONTATIONS EXPERIMENTALES. CE TRAVAIL NOUS A PERMIS DE DEFINIR LE DOMAINE DE VALIDITE DE NOS MESURES. CES METHODES ONT ALORS PU ETRE UTILISEES POUR ETUDIER DES ECOULEMENTS AU SEIN D'EMPILEMENTS DE BILLES MONODISPERSES EN UTILISANT DIFFERENTS DIAMETRES DE SPHERES. LES DISTRIBUTIONS DE PROBABILITE DE DEPLACEMENT DES PARTICULES DE FLUIDE ONT AINSI ETE MESUREES POUR DES DEPLACEMENTS MOYENS ALLANT DE UN DIXIEME A DIX FOIS LA TAILLE DE GRAIN ; CELLES CORRESPONDANT AUX DEPLACEMENTS MOYENS LES PLUS FAIBLES NOUS PERMETTENT D'OBTENIR LA DISTRIBUTION DE PROBABILITE DE VITESSE QUI EST TRES PROCHE DE CELLE OBTENUE PAR RESOLUTION NUMERIQUE DE L'EQUATION DE STOKES DANS UN MILIEU IDENTIQUE. LES EFFETS DE LA DIFFUSION MOLECULAIRE ONT ETE OBSERVES ET INTERPRETES. LORSQUE LE DEPLACEMENT MOYEN AUGMENTE, ON A PU OBSERVER LA DEFORMATION DE CETTE DISTRIBUTION ET LA TRANSITION VERS UN REGIME DISPERSIF CLASSIQUE ; CELUI-CI EST ATTEINT POUR UN DEPLACEMENT MOYEN CORRESPONDANT A ENVIRON SIX FOIS LA TAILLE DE GRAIN. LA TRANSITION ENTRE UN REGIME MICROSCOPIQUE (CORRESPONDANT A L'EQUATION DE STOKES) ET UN REGIME MACROSCOPIQUE (CORRESPONDANT A L'EQUATION DE CONVECTION-DIFFUSION) A DONC ETE OBSERVEE, PUIS INTERPRETEE PAR DES SIMULATIONS NUMERIQUES
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Cette thèse présente une étude des écoulements de gaz dans un milieu poreux anisotherme constitué de pores de taille micrométrique en s'appuyant sur des simulations, à l'échelle des pores, des écoulements et des transferts de chaleur dans des Volumes Élémentaires Représentatifs. Lorsque la dimension des pores est très petite, contrairement à l'échelle macroscopique, il apparait un glissement hydrodynamique, un saut de température et saut de flux diffusif entre le fluide et la matrice poreuse. De plus, l'écoulement d'un gaz dans des systèmes de très faible taille engendre des effets de compressibilité et de dissipation visqueuse qui ne peuvent plus être négligés. Bien que de nombreux travaux de la littérature portent sur la modélisation et la simulation numérique des écoulements gazeux en milieux poreux, l'originalité du modèle numérique macroscopique qui a été élaboré au cours de cette thèse est de prendre en compte tous ces phénomènes physiques. Cela a permis de mener une étude paramétrique sur une large gamme des paramètres de ces écoulements (les nombres de Reynolds, Rek, Knudsen, Kn, Mach, Ma) et pour cinq géométries différentes de milieux poreux caractérisés par leur porosité, et perméabilité de Darcy, Kd. L'étude est, en premier lieu, menée pour des écoulements faiblement compressibles en utilisant les modèles de Darcy-Klinkenberg et Darcy-Forchheimer, avec et sans glissement. Le code de calcul développé au laboratoire est validé par des comparaisons avec des résultats de la littérature en utilisant ces deux modèles. Le terme correctif de Forchheimer ainsi que différents types de régimes inertiels ont été identifiés et comparés à d'autres travaux de la littérature. La suite du travail est consacrée aux écoulements compressibles, en particulier aux effets thermiques d'origine dynamique associés à ces écoulements (dissipation visqueuse et travail des forces de pression). Les résultats dynamiques et thermiques sont d'abord présentés en étudiant un milieu poreux constitué d'obstacles rectangulaires. Puis nous avons reproduit cette étude pour d'autres géométries rectangulaires et circulaires. Des études paramétriques sont effectuées en faisant varier les paramètres moteurs de l'écoulement (pression moyenne et différence de pression entrée/sortie), dans le but de couvrir des régimes où l'inertie, la compressibilité et la raréfaction entrent en jeux. Cela nous a permis d'élaborer des cartes, en fonction de ces paramètres, des diverses quantités physiques (températures, vitesses, termes de sources, perméabilité apparente...) et des nombres adimensionnels (Rek, Ma, Kn ...). Pour des grandes variations de pression, les puissances des forces visqueuses et de pression (effets d'origines purement dynamique) jouent un rôle non négligeable : on montre par exemple qu'elles peuvent engendrer des gradients de température moyenne de plus de 10000 K/m (écarts de température moyenne d'environ 3,2 K sur 240 μm de longueur du milieu poreux lorsque la différence de pression entrée/sortie est de 1,6 bar, pour une pression moyenne de 1,1 bar). Globalement, on montre que la température de la matrice solide du milieu poreux est souvent supérieure à celle du fluide, ce qui rend difficile l'utilisation de l'hypothèse de l'équilibre thermique local lors de la construction d'un modèle moyen macroscopique. On montre également que la perméabilité apparente estimée sur chaque VER peut rester constante, augmenter ou diminuer de l'entrée à la sortie d'un milieu poreux donné, en fonction du degré d'inertie et de raréfaction du milieu. On construit des corrélations de la perméabilité apparente pour chacune des géométrie étudiées puis des corrélations globales pour l'ensemble des milieux poreux étudiés. Ces corrélations sont basées sur une modélisation de type Darcy-Klinkenberg-Forchheimer de la perméabilité apparente en fonction des nombres adimensionnels de Rek, Ma, Kn, porosité et Kd.
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La première partie de ce travail a porté sur la mesure du gradient de vitesse et la direction de l'écoulement local de liquide dans un empilement de sphères. Cette étude a été menée grâce à des micro-électrodes tri-segmentées implantées à la paroi de sphères supports. Ces expériences originales ont en particulier permis de caractériser les recirculations dans le pore suivant les conditions opératoires. La seconde partie a porté sur la simulation numérique de ce même écoulement local. Un écoulement monophasique dans une géométrie complexe représentant exactement le milieu poreux a été simulé. Ces simulations ont été confrontées aux expériences; l'accord est satisfaisant, surtout à faible vitesse. L'inadéquation des modèles de turbulence usuels a été montrée dans notre cas. Enfin, des mesures par Vélocimétrie Laser Doppler ont montré l'intérêt de cette technique, bien que des améliorations soient nécessaires pour obtenir des résultats exploitables sur l'ensemble du milieu.
Author: Selim Ahmed Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 142
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L’objectif principal de ce travail est de développer des outils numériques efficaces et fiables pour la modélisation de l’écoulement et du transport de masse en milieux poreux saturé. Dans une première partie, nous avons développé une technique pour améliorer la méthode EFMH sur les quadrangles. Cette technique a permis d’éliminer les oscillations rencontrées en utilisant la méthode EFMH standard pour des solutions à front raide et de gagner en précision et en temps de calcul. Dans la deuxième partie de la thèse un nouveau modèle numérique pour résoudre le systèmes d’équations couplées écoulement–transport a été développé. Ce modèle couple des discrétisations spatiale et temporelle efficaces en utilisant la méthode des lignes. Pour la discrétisation spatiale, nous avons combiné la méthode EFMHc pour l’écoulement, la méthode MPFA pour le terme dispersif et la méthode DG pour le terme convectif de l’équation de transport. Pour la discrétisation temporelle du système EDO résultant, deux solvers basés sur le schéma à ordre et pas de temps adaptatifs, BDF, sont employés. DLSODIS (resp, DASPK), utilise une méthode directe (resp, méthode itérative) pour résoudre les systèmes linéaires surgissant à chaque itération de Newton. Dans un premier temps, deux cas tests numériques standards aussi bien qu’une expérience à l’échelle du laboratoire sont simulés pour mettre en relief l’efficacité et la robustesse du modèle basé sur DLSODIS. Dans un second temps, le solver DASPK a été utilisé pour traiter les systèmes de grande échelle. Le nouveau modèle permet de contrôler l’erreur temporelle et de réduire plus que 30 fois le temps de calcul par rapport au modèle standard.
Author: Thanh Long Vu Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Ce travail de thèse a pour objectif de simuler numériquement des écoulements de gaz dans des matrices poreuses dont les pores sont de taille micrométrique. On étudie l'influence des phénomènes de glissement hydrodynamique qui apparaissent lorsque la dimension caractéristique de micro- conduites est caractérisée par des nombres de Knudsen compris entre Kn = 0,01 et Kn = 0,1.Le mémoire de thèse est composé de cinq chapitres suivis d'une conclusion dans laquelle nous présentons quelques perspectives pour une suite de ce travail. Le chapitre I constitue le travail préliminaire de thèse qui s'est ensuite orienté vers des approches complémentaires. Le principe des méthodes d'homogénéisation périodique est d'abord exposé. Suit une présentation de deux méthodes de résolution dans l'espace de Fourier : l'approche en déformation et l'approche en contrainte. L'extension de ces méthodes à la résolution d'écoulements régis par l'équation de Stokes est ensuite décrite. Des applications aux cas d'écoulements à travers des réseaux de cylindres, avec condition d'adhérence ou avec condition de glissement, sont ensuite discutées. Deux techniques de modélisation des phénomènes de transport dans des milieux poreux saturés par un fluide monoconstituant sont présentées dans le second chapitre. La première est basée sur la méthode des développements asymptotiques, appelée aussi méthode d'homogénéisation. On explique que le processus consiste en trois étapes : description locale, localisation et description macroscopique. La seconde technique s'appuie sur la méthode de calcul de moyennes à l'échelle d'un VER. Le point de départ de cette méthode est basé sur des théorèmes donnant les expressions des moyennes de tous les opérateurs intervenant dans une équation de transport. Après une brève présentation du logiciel commercialisé que nous avons utilisé, nous exposons les études de convergence spatiale que nous avons effectuées et nous comparons nos solutions avec des résultats de la littérature dans le chapitre III. Diverses géométries sont considérées (allant de géométries planes à des empilements 3D de cubes ou de sphères).L'effet du glissement sur la perméabilité de milieux microporeux est abordé dans le chapitre IV. Le formalisme résultant de l'homogénéisation de structures périodiques est utilisé pour simuler numériquement des écoulements isothermes de gaz dans divers empilements de complexités croissantes. Les perméabilités sont déterminées en calculant les moyennes spatiales des champs de vitesses, solutions des équations de Stokes. Les valeurs obtenues en imposant des conditions d'adhérence sont comparées à celles obtenues avec des conditions de glissement du premier ordre. Dans le chapitre V, nous présentons des solutions pour des écoulements anisothermes et étudions l'effet du glissement sur la conductivité effective de milieux microporeux 2D et 3D. Dans ce chapitre, nous résolvons les équations de Navier-Stokes et de l'énergie en imposant des conditions de symétries dans une ou deux directions. A partir des solutions locales, sont calculées les moyennes intrinsèques des champs de vitesse et de température. Nous considérons des cas pour lesquels la condition d'équilibre thermique local peut être considérée comme satisfaite et d'autres correspondant à un non-équilibre thermique (NTLE). On détermine les conductivités de dispersion en fonction du nombre du Péclet et on montre l'influence du glissement sur les composantes longitudinales et transverses pour différentes porosités et longueur de glissement. Dans les cas NLTE, le coefficient macroscopique de transfert fluide-solide est aussi calculé
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Pour caractériser les échantillons poreux, la porosimétrie par injection de mercure (MIP) demeure l'une des techniques les plus utilisées, mais également la plus décriée en raison de la toxicité de ce fluide. Parmi les potentielles alternatives au MIP, la porosimétrie par injection de fluides à seuil (YSM) a l'avantage d'être non-toxique et peu coûteuse. En partant de données expérimentales débits/gradient de pression Q(∇P), le processus d'inversion en YSM permet d'obtenir une distribution en tailles de pores (DTP) de l'échantillon poreux qui, jusqu'à lors, était toujours modélisé comme un faisceau de pores tous parallèles à section droite circulaire. Par ailleurs, dans tous les travaux antérieurs en YSM, pour des raisons de simplicité, le glissement du fluide contre les parois des pores était négligé. Dans ce travail, ce phénomène très caractéristique de l'écoulement des fluides complexes est pris en compte dans le processus d'inversion à travers un mécanisme impliquant une couche de glissement. En outre, au cours de ce travail, l'impact de la non-circularité des sections droites des pores sur les DTPs obtenues par YSM a été étudié. L'exploitation de nouvelles données expérimentales obtenues sur des échantillons de silicate fritté et de grès de Bentheimer montrent que ces aspects de glissement et de non-circularité des sections droites des pores influencent de façon considérable les DTPs obtenues, et donc ouvre de nouvelles portes pour le futur de la YSM.
Author: Bruno Lacabanne Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 180
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On étudie les équations gouvernant un fluide soumis aux effets de thermodiffusion et d'adsorption en milieu poreux. La répartition des espèces à l'intérieur du fluide est alors régie à l'échelle locale par un système d'équations d'évolution paraboliques non linéaires de type divergentielles. On montre que le système ainsi constitué est bien posé au sens de Hadamard. L'existence d'une solution au problème est demontrée à l'aide d'une méthode de type point fixe, l'unicité par le biais d'une technique de dualité. Cette approche théorique a pu être complétée par des simulations numériques à l'échelle d'un pore, à l'aide d'un schéma fondé sur une méthode volumes finis dont l'étude est effectuée, et pour lequel on exhibe un résultat de convergence. La détermination des équations macroscopiques de conservation fait l'objet du deuxième volet de cette étude. Nous démontrons qu'elles sont de la même forme que les équations locales, le changement d'échelle introduisant des tenseurs gouvernant les flux et des coefficients de porosité modulant les grandeurs scalaires. Plusieurs techniques ont été utilisées : le passage de la loi de Navier-Stokes à l'équation de Darcy linéaire a pu ainsi être démontré à l'aide de développements asymptotiques. Les lois de conservation de l'énergie et de la masse ont été établies par le biais de la convergence à deux échelles. Le modèle macroscopique peut alors être complètement déterminé via la résolution de problèmes locaux, posés sur une cellule élémentaire, représentative du milieu périodique. Une dernière partie est consacrée à la modélisation de la contamination de nappes aquifères par des produits polluants; les équations de conservation de la masse y sont déterminées dans deux cas, les cas réversible et irréversible. Deux approches sont envisagées, l'une se fondant sur une version de la convergence à deux échelles appliquées aux traces, l'autre sur un résultat établi dans le cas de réactions chimiques.
Author: Xavier Le Tallec Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 262
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La prise en compte, dans les modèles de gisement, des hétérogénéités dues aux différents types de roches conduit à des champs de saturation présentant des discontinuités au niveau des interfaces entre chaque zone. Deux schémas numériques monodimensionnels sont proposes permettant de modéliser d'une part le problème pour lequel les effets capillaires sont négligés, et d'autre part le problème intégrant la pression capillaire. Des résultats de stabilité sont alors établis. L’extension bidimensionnelle de ces deux schémas est ensuite présentée, ainsi qu'une comparaison entre le modèle à grande échelle et la prise de moyenne des équations a l'échelle locale.
Author: Laurène Hume
Author: Laurène Hume
Author: Jean Barrère (auteur d'une thèse en Mécanique)
Author: LUC.. LEBON
Author: Samy Ramdane
Author: Thibault Dumas
Author: Selim Ahmed
Author: Thanh Long Vu
Author: Térence Mackaya
Author: Bruno Lacabanne
Author: Xavier Le Tallec