Étude expérimentale du transport réactif en milieu poreux PDF Download
Are you looking for read ebook online? Search for your book and save it on your Kindle device, PC, phones or tablets. Download Étude expérimentale du transport réactif en milieu poreux PDF full book. Access full book title Étude expérimentale du transport réactif en milieu poreux by Assohoun Wilfried Ahoulou. Download full books in PDF and EPUB format.
Book Description
Prédire les instabilités déclenchées par la réaction chimique d'un fluide percolateur traversant une roche soluble constitue un enjeu scientifique majeur pour de nombreux domaines d'application (formations des systèmes karstiques, évolution des fractures, stimulation acide des puits de pétrole ou encore la séquestration et le stockage du CO2). En effet, la dissolution de la matrice solide conduit souvent à l'apparition et au développement des canaux, appelés wormholes, qui modifient les caractéristiques hydrodynamiques (perméabilité et porosité) du milieu traversé. L'objectif de cette thèse est d'étudier, à travers un programme expérimental de laboratoire, l'influence de la variation des propriétés physiques du fluide percolateur et en particulier la variation de sa masse volumique sur la configuration des wormholes. Autrement dit, il s'agit d'étudier le couplage entre les instabilités chimiques et les instabilités hydrodynamiques induites par le contraste de masse volumique. Dans une première étape, le programme expérimental repose sur l'interprétation des images acquises lors de l'injection d'eau pure (phase « acide ») dans un massif salin (roche « soluble ») reconstitué en 2D via une cellule de type Hele-Shaw et en considérant différentes configurations d'injection. Dans une seconde étape, l'utilisation de la microtomographie à rayon X a permis d'approcher ces effets dans une configuration 3D constituée d'éprouvettes de sels dissoutes par des solutions sous-saturées en sel. Quelle que soit la configuration étudiée, les résultats expérimentaux suggèrent que les régimes de dissolution peuvent encore être décrits par les deux nombres adimensionnels classiques, à savoir les nombres de Damköhler et Péclet. Le diagramme de régime est peu sensible aux variations de contraste de masse volumique, en particulier pour des Péclet relativement forts et Damköhler faibles, mais subit un ralentissement de la propagation du front de dissolution lorsque le nombre de Richardson (rapport des effets gravitationnels et convectifs) augmente. L'analyse des descripteurs morphologiques tels que le volume, l'interface zone dissoute/zone non dissoute, la tortuosité et la distribution de la taille de pores montre que le contraste de masse volumique a une influence non-négligeable sur les régimes de dissolution pour un Richardson moyen à fort. Certains de nos résultats expérimentaux ont pu être confirmés par simulations numériques bidimensionnelles menées avec le logiciel COMSOL Multiphysics®.
Book Description
Prédire les instabilités déclenchées par la réaction chimique d'un fluide percolateur traversant une roche soluble constitue un enjeu scientifique majeur pour de nombreux domaines d'application (formations des systèmes karstiques, évolution des fractures, stimulation acide des puits de pétrole ou encore la séquestration et le stockage du CO2). En effet, la dissolution de la matrice solide conduit souvent à l'apparition et au développement des canaux, appelés wormholes, qui modifient les caractéristiques hydrodynamiques (perméabilité et porosité) du milieu traversé. L'objectif de cette thèse est d'étudier, à travers un programme expérimental de laboratoire, l'influence de la variation des propriétés physiques du fluide percolateur et en particulier la variation de sa masse volumique sur la configuration des wormholes. Autrement dit, il s'agit d'étudier le couplage entre les instabilités chimiques et les instabilités hydrodynamiques induites par le contraste de masse volumique. Dans une première étape, le programme expérimental repose sur l'interprétation des images acquises lors de l'injection d'eau pure (phase « acide ») dans un massif salin (roche « soluble ») reconstitué en 2D via une cellule de type Hele-Shaw et en considérant différentes configurations d'injection. Dans une seconde étape, l'utilisation de la microtomographie à rayon X a permis d'approcher ces effets dans une configuration 3D constituée d'éprouvettes de sels dissoutes par des solutions sous-saturées en sel. Quelle que soit la configuration étudiée, les résultats expérimentaux suggèrent que les régimes de dissolution peuvent encore être décrits par les deux nombres adimensionnels classiques, à savoir les nombres de Damköhler et Péclet. Le diagramme de régime est peu sensible aux variations de contraste de masse volumique, en particulier pour des Péclet relativement forts et Damköhler faibles, mais subit un ralentissement de la propagation du front de dissolution lorsque le nombre de Richardson (rapport des effets gravitationnels et convectifs) augmente. L'analyse des descripteurs morphologiques tels que le volume, l'interface zone dissoute/zone non dissoute, la tortuosité et la distribution de la taille de pores montre que le contraste de masse volumique a une influence non-négligeable sur les régimes de dissolution pour un Richardson moyen à fort. Certains de nos résultats expérimentaux ont pu être confirmés par simulations numériques bidimensionnelles menées avec le logiciel COMSOL Multiphysics®.
Book Description
Modéliser les phénomènes de transport de solutés organiques en milieux poreux colonisés par des populations bactériennes se développant sous forme de biofilms est un domaine de recherche important pour un certain nombre d'applications environnementales, comme par exemple pour les méthodes de bioremédiation des sols et des eaux contaminés par des polluants organiques (biosparging, bio-barrières ...). Les biofilms, qui sont composés principalement de bactéries et de substances polymériques extracellulaires, peuvent se développer sur les parois de grains d'un milieu poreux. Le métabolisme bactérien dégrade les solutés organiques et contribue ainsi à la diminution de la contamination. Le transport bio-réactif de composés organiques dans un milieu poreux incluant un biofilm est un problème fortement multi-échelle (depuis l'échelle de la bactérie jusqu'à l'échelle de l'aquifère) et fortement couplé (avec des phénomènes hydrodynamiques, physico-chimiques et biochimiques). Le soluté organique est transporté par convection et diffusion dans la phase fluide et diffuse dans la phase biofilm, où il est dégradé par le métabolisme bactérien. Le but de ce travail est de développer des modèles de transport bio-réactif définis à l'échelle de Darcy à partir des données disponibles à l'échelle du pore, en adoptant la méthode de changement d'échelle dite de prise de moyenne volumique. Dans le cas général, une telle approche conduit à un modèle macroscopique de transport à deux équations couplées (une équation par phase de transport). En considérant les relations entre les concentrations moyennées dans chaque phase, plusieurs régimes de transport permettant de dégénérer ce modèle en modèle à une seule équation peuvent être identifiés. L'hypothèse d'équilibre de masse local conduit à un tel modèle simplifié. En condition de non-équilibre, deux cas limites permettent également de développer des modèles de transport à une équation : le cas où le taux de biodégradation est contrôlé par le transfert de masse externe et le cas ou il est contrôlé par la cinétique de réaction. L'utilisation de ces quatre modèles implique la résolution numérique de problèmes de fermeture, afin d'évaluer les paramètres macroscopiques de transports (tenseur de dispersion, taux de dégradation ...). Des calculs de coefficients effectifs ont été effectués dans différentes conditions de transport afin d'étudier leur comportement. Les résultats de ces modèles ont été comparés avec ceux obtenus par simulations directe à l'échelle microscopique pour une géométrie de pore bidimensionnelle stratifiée. À partir de ces comparaisons, les domaines de validité de chaque modèle ont été identifiés en termes de conditions hydrodynamique et biochimique de transport. (i.e. le nombre de Péclet et le nombre de Damköhler). Le développement d'un modèle expérimental de transport en milieux poreux incluant un biofilm a également été entamé, afin d'une part d'effectuer une validation expérimentale des modèles numériques préalablement développés et d'autre part de fournir un outil supplémentaire pour l'étude des phénomènes considérés.
Author: Zyed Mesticou Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 236
Book Description
Suspended particles transport through a saturated porous medium is an important research topic in several sectors related to the environment or industrial problems. The purpose of this thesis is to characterize deposition and release mechanisms in the case of the transport of silt micro particles (silica) flow through saturated sand. The influence of ionic strengh and the flow velocity are studied. The approach is first expérimental. In this context, laboratory column experiments are performed. The results show clearly the presence of both physicochemical and mechanical retention mechanisms. It is show that the suspension ionic strength increase results in increaded deposition rate. This is consistent with the DLVO theory. In addition, the deposit is marked by a gradual saturation of physicochemical and mechanical retention sites. The esperiments show also that the release phenomenon arises not only from the variation of the hydraulic speed but also from the ionic strength value and expecially of this variation. In this framework, experiments show clearly the presence of a clogging front. The latter moves in the flow direction with a rate proportional to the ionic strength and the flow velocity. The study shows that the clogging increases with the ionic strength. It is more pronounced at low speeds. In a second approach, a multiphasic model is developed to simulate the suspension particle transport under the influence of the ionic strength and the flow velocity. The two effects are coupled. Thus, the deposition and release kinetics are proposed to model these two phenomena. These kinetics are expressed as a function of the suspension flow rate and salinity in accordance with experimental results. The proposed model is validated with experimental tests. It reproducesin a realistic way the transport dynamics of the micro particles in suspension under the influence of ionic strength and flow velocity variations.
Author: Michel Jauzein Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 204
Book Description
Prévoir les risques de migration des polluants radioactifs autour des sites de stockages de déchets nucléaires nécessite la définition d'une méthodologie précise et l'utilisation de techniques adaptées. Cet objectif de départ, axé sur les aspects méthodologiques concerne plus généralement l'étude du transport transitoire de solutés aqueux, radioactifs ou non, dans les milieux poreux, naturels ou artificiels, en présence d'interactions physico-chimiques entre la solution aqueuse, le soluté étudié et le milieu poreux. Le cas du transport du césium sous forme cationique (Cs+) dans l'aquifère alluvial d'un site pilote du CENG, équipé par la SAT, a été choisi comme support pour tester les méthodes et techniques envisagées. Ce cas particulier a permis de mettre en œuvre des expériences sur des colonnes de laboratoire garnies d'échantillons de l'alluvion naturelle (un sable argilo-calcaire). Le but de ces expériences est la compréhension des mécanismes d'interaction avec le césium, puis l'évaluation des paramètres associés aux mécanismes mis en évidence. Le principe de ces expériences est simple : étudier la déformation d'un signal de concentration quand il traverse une colonne d'alluvion soumise à un écoulement permanent. Cette déformation, dépendant des interactions, permet alors de caractériser les différents mécanismes. Cependant l'interprétation de ce type de résultats nécessite de se doter d'un outil numérique flexible, permettant de simuler les expériences sur la base des mécanismes envisagés et de certaines valeurs des paramètres. La comparaison directe entre résultats expérimentaux et théoriques est alors un outil d'investigation pratique. Un code de calcul, IMPACT, a donc été construit dans le but de s'adapter facilement aux différentes substances chimiques et aux différents types d'expériences (laboratoire ou terrain). Ce code de calcul, dont les bases théoriques sont présentées dans ce mémoire, permet de simuler le tranport de substances chimiques dans les milieux poreux en supposant l'équilibre thermodynamique local. Les interactions, choisies par l'utilisateur, sont prises en compte par leur stœchiométrie et la loi d'action de masse associée. L'écoulement est simulé par un réseau de cellules de composition uniforme où l'eau circule de manière permanente. La diversité des configurations possibles permet de simuler des conditions d'écoulement variées comme celles rencontrées au laboratoire ou surtout sur le terrain. En ce qui concerne l'interprétation des expériences en colonne de laboratoire, une approche théorique basée sur la méthode des caractéristiques nous a permis de trouver des règles simples pour interpréter les résultats. En particulier, la simple stœchiométrie des mécanismes d'interaction permet de prévoir certaines déformations caractéristiques d'un signal de concentration élémentaire (modification brusque de la composition de l'eau d'alimentation d'une colonne, nommée "signal échelon"). Par exemple la "règle stœchiométrique" présentée dans ce mémoire, permet de prévoir le nombre de fronts de concentration successifs, pouvant apparaître en raison des interactions. D'autres règles qualitatives sont données, et la voie est tracée pour en trouver d'autres, peut-être plus précieuses. L'ensemble des expériences réalisées au laboratoire avec le césium et avec d'autres cations alcalins (Li+, Na+) a permis de mieux comprendre les interactions existant avec l'alluvion. Ainsi, pour le césium, deux mécanismes ont été envisagés pour décrire l'échange Ca/Cs: échange sur deux types de sites en parallèle ou échange couplé à une complexation de surface. Ces interactions ont été quantifiées. Cependant, la compréhension du transport du césium au travers de colonnes de laboratoire n'est pas suffisante pour prévoir son transit sur le site pilote. Plusieurs types de paramètres doivent être déterminés à l'aide d'expériences "in situ". Ce sont d'abord les paramètres hydrodynamiques, mais aussi certains paramètres physico-chimiques non extrapolables directement du laboratoire au terrain. En remarquant que l'utilisation directe de substances polluantes "in situ" ne serait pas toujours possible pour des raisons de sécurité et de temps, nous avons développé la "méthode des substances relais", Cette méthode consiste à injecter simultanément un traceur de l'eau et une substance réagissant au sein du milieu poreux. Le traceur de l'eau permet de caractériser l'hydrodynamique par des distributions de temps de séjour de l'eau dans le milieu poreux. La substance "relais" associée est choisie au laboratoire pour son adaptation à la mesure d'un paramètre physico-chimique par l'analyse de la différence existant entre sa restitution et celle du traceur de l'eau. Là aussi, l'utilisation du code de calcul IMPACT peut être indispensable pour l'application de la méthode. Appliquée dans le cas du césium, cette méthode a abouti à la mesure "in situ" de la capacité d'échange cationique par l'intermédiaire du lithium comme substance relais. Pour trois zones différentes, on a obtenu 62, 42 et 54 meq/litre d'eau de la nappe. Ce paramètre est en effet indispensable à la description de l'échange de cations, et il ne peut être extrapolé simplement du laboratoire comme une constante thermodynamique. En dernier lieu, les résultats acquis au laboratoire et sur le terrain permettent d'envisager la prévision des migrations du césium en solution grâce à l'utilisation du code de calcul IMPACT. Cette dernière étape permet d'envisager les perspectives de développement de la méthodologie proposée et du code de calcul mis en place.
Author: Ahmed Hammadi Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 125
Book Description
Une étude expérimentale sur le transfert des particules en suspension dans les milieux poreux est menée au laboratoire sur des colonnes remplies de sable en utilisant des techniques de traçage. Les effets du milieu poreux, de la taille des particules et de la polydispersivité de ces particules sur leur transport et dépôt sont étudiés. Des injections impulsion et des injections en continue de particules en suspension monodisperses (Latex) et polydisperses (Kaolinite) à différentes vitesses d’écoulement ont été réalisées. Deux milieux poreux de granulométries serrées et un troisième milieu poreux constitué du mélange des deux précédents sont utilisés. Par ailleurs, pour étudier l’effet de la taille et de de la polydispersivité des particules injectées, trois populations monodisperses de particules de latex ainsi que trois mélanges de ces dernières ont été utilisés. Les paramètres caractérisant le transport et le dépôt des particules en suspension sont déterminés en utilisant la solution analytique de l’équation convection-dispersion avec une cinétique de dépôt de premier ordre. L’effet de sélection de taille est étudié à partir des analyses granulométriques des particules prélevées dans les effluents à différents moments de la restitution et des particules déposées à différents horizons dans le milieu poreux. Les résultats ont montré que la vitesse d’écoulement, la distribution granulométrique du milieu poreux, la taille et la polydispersivité des particules en suspension jouent un rôle important dans le transport et le dépôt dans les milieux poreux.
Book Description
Ce travail vise à étudier le couplage entre écoulement et interactions physico-chimiques dans les sols, dans différentes conditions de saturation en eau, afin d'améliorer la prédiction du devenir des polluants. Il s'agit de comprendre en quoi le taux de saturation du milieu affecte la réactivité du sol vis-à-vis des polluants, et d'évaluer le pouvoir prédictif du transport de solutés réactifs étudié en milieu saturé sur la réactivité en conditions non saturées. Différents processus sont considérés : l'échange de cations calcium-zinc sur un milieu poreux modèle (sable-kaolinite), la sorption et désorption d'un composé organique sur une terre non contaminée, le transport de polluants prioritaires tels que les HAP sur une terre de friche industrielle. Dans chaque cas, des expériences en colonne de laboratoire ont été conduites en conditions d'écoulement saturé et non saturé permanent, permettant tout d'abord la caractérisation de l'hydrodynamique, puis l'étude du couplage avec la réactivité. Les courbes de percée obtenues ont été ensuite modélisées avec des codes tels que CXTFIT. On a montré l'influence de la teneur en eau du milieu sur le transport réactif, variable suivant le type de réaction considéré, la structure des milieux jouant également un rôle important. L'échange d'ions sur le milieu modèle n'est globalement pas affecté par la teneur en eau, dans une gamme proche de la saturation. En revanche, une plus forte sorption et une plus faible mobilisation des polluants organiques ont été observées en conditions non saturées. Le transport réactif de ces composés ne peut donc pas être prédit en conditions non saturées à partir de mesures en milieu saturé, qui peuvent surestimer le transport.
Author: Michel Fremond Publisher: Springer Science & Business Media ISBN: 3540323996 Category : Technology & Engineering Languages : en Pages : 405
Book Description
In this edited book various novel approaches to problems of modern civil engineering are demonstrated. Experts associated within the Lagrange Laboratory present recent research results in civil engineering dealing both with modelling and computational aspects. Many modern topics are covered, such as monumental dams, soil mechanics and geotechnics, granular media, contact and friction problems, damage and fracture, new structural materials, and vibration damping – presenting the state of the art of mechanical modelling and computational issues in civil engineering.
Author: Marziye Mirbagheri Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages :
Book Description
"Cette thèse de doctorat porte sur le transfert de masse dans des milieux poreux incluant la diffusion de surface et des phases interactives. Le transport massique au travers des matériaux poreux est un phénomène essentiel pour de nombreux processus technologiques et naturels. Les plantes et les légumes absorbent l'eau et les nutriments, puis les stockent dans un espace poreux à travers leurs capillaires. Les humains respirent en partie à travers les pores de leur peau. La diffusion de produit ou de réactif dans des catalyseurs poreux, qui sont utilisés pour augmenter la vitesse de réaction et de production, est contrôlée par la diffusion moléculaire à travers l'espace vide. La diffusion et l'adsorption de surface sont particulièrement importantes dans les déshumidificateurs, où l'humidité est contrôlée par l'adsorption de l'eau par des adsorbants, tel que le gel de silice. La diffusion contrôle la cinétique de presque toutes les réactions chimiques à l'état solide telles que le métamorphisme géologique, le traitement thermique de l'acier et la fabrication de semi-conducteurs et de supraconducteurs. Par conséquent, il est crucial de comprendre les bases fondamentales de la diffusion et sa dépendance à diverses propriétés physiques et structurelles. Dans cette dissertation, une revue de littérature liée à la recherche actuelle est d'abord fournie. Le développement d'un modèle analytique, calculant la diffusivité effective dans un milieu poreux anisotrope bidimensionnel est ensuite présenté. Une vérification détaillée du modèle à l'aide de théorie et d'une méthode de calcul numérique est réalisé. Ensuite, des calculs réalisés dans un environnement tridimensionnel ont été entrepris afin d'étudier l'effet de la porosité, de la taille des pores (particule), de la morphologie des pores, de la surface spécifique et de l'anisotropie sur les gaz et la diffusion superficielle dans des réseaux de sphères solides, de cavités sphériques et de pores et de fibres se chevauchant de façon aléatoire. Les calculs numériques ont établi les contributions relatives du gaz et de la surface au processus global de transport massique. La diffusion de surface est explorée comme mécanisme sélectif pour la déshumidification de divers gaz dans des réseaux de pores cylindriques et de fibres, où les structures des pores capillaires sont plus sélectives. La dernière section est une étude expérimentale de la diffusion et de la sorption de la vapeur d'eau dans des nanocomposites de polyacrylamide-silice afin d'identifier de nouvelles stratégies de conception pour les membranes à perméabilité sélective. Puisque la capacité d'adsorption et la diffusivité de surface des nanoparticules de silice peuvent être manipulées par l'adsorption du polymère sur la silice, un choix judicieux de la fraction volumique du polymère est nécessaire afin d'améliorer la perméabilité sélective. Similairement, la capacité d'absorption de l'eau par le polymère peut être contrôlée par des nanoparticules, puisqu'en présence d'un pénétrant (i.e. : eau), lorsque le polymère est lié à la surface des nanoparticules, celles-ci ont moins de mobilité. Finalement, des conclusions et des recommandations pour des travaux futurs sont fournies." --
Author: Souhila Sabit Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 132
Book Description
La modélisation du transport réactif du contaminant en milieu poreux est un problème complexe cumulant les difficultés de la modélisation du transport avec celles de la modélisation de la chimie et surtout du couplage entre les deux. Cette modélisation conduit à un système d'équations aux dérivées partielles et algébriques dont les inconnues sont les quantités d'espèces chimiques. Une approche possible, déjà utilisée par ailleurs, est de choisir la méthode globale DAE : l'utilisation d'une méthode de lignes, correspondant à la discrétisation en espace seulement, conduit à un système différentiel algébrique (DAE) qui doit être résolu par un solveur adapté. Dans notre cas, on utilise le solveur IDA de Sundials qui s'appuie sur une méthode implicite, à ordre et pas variables, et qui requiert à chaque pas de temps la résolution d'un grand système non linéaire associé à une matrice jacobienne. Cette méthode est implémentée dans un logiciel qui s'appelle GRT3D (Transport Réactif Global en 3D). Le présent travail présente une amélioration de la méthode GDAE, du point de vue de la performance, de la stabilité et de la robustesse. Nous avons ainsi enrichi les possibilités de GRT3D, par la prise en compte complète des équations de précipitation-dissolution permettant l'apparition ou la disparition d'une espèce précipitée. En complément de l'étude de la méthode GDAE, nous présentons aussi une méthode séquentielle non itérative (SNIA), qui est une méthode basée sur le schéma d'Euler explicite : à chaque pas de temps, on résout explicitement l'équation de transport et on utilise ces calculs comme données pour le système chimique, résolu dans chaque maille de façon indépendante. Nous présentons aussi une comparaison entre cette méthode et l'approche GDAE. Des résultats numériques pour deux cas tests, celui proposé par l'ANDRA (cas-test 2D) d'une part, celui proposé par le groupe MoMas (Benchmark "easy case") d'autre part, sont enfin présentés, commentés et analysés.
Author: Assohoun Wilfried Ahoulou
Author: Assohoun Wilfried Ahoulou
Author: Laurent Orgogozo
Author: Zyed Mesticou
Author: Michel Jauzein
Author: Ahmed Hammadi
Author: Valérie Gujisaite
Author: Michel Fremond
Author: Marziye Mirbagheri
Author: Souhila Sabit
Author: