Apport des méthodes cinétiques à la simulation d'écoulements dans les milieux poreux

par Léonard De Izarra

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Louis Rouet et de Boujema Izrar.

Soutenue le 13-01-2012

à Orléans , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences et technologies (Orléans) , en partenariat avec Institut des sciences de la terre d'Orléans (laboratoire) .

Le président du jury était Ary Bruand.

Le jury était composé de Jean-Louis Rouet, Boujema Izrar, Ary Bruand, Olivier Séro-Guillaume, Giovanni Manfredi, Vincent Pavan.

Les rapporteurs étaient Olivier Séro-Guillaume, Giovanni Manfredi.


  • Résumé

    Les méthodes de Boltzmann sur réseaux (LBM) ont été appliquées avec beaucoup de succès aux écoulements hydrodynamiques en milieux poreux. Cependant, la limitation de ces méthodes aux écoulements hydrodynamiques et isothermes, les rendent insuffisantes pour simuler des écoulements de gaz dans des milieux micro-poreux. Dans ce cas, il est en effet fréquent que le libre parcours moyen des molécules du gaz, soit du même ordre de grandeur que la taille des pores dans lesquels il s’écoule. De tels écoulements ne seront alors plus en régime hydrodynamique, mais dans des régimes qualifiés de glissement et de transitionnel ; régimes pour lesquels les LBM standards ne sont plus valides. D’autre part, le caractère isotherme des LBM les rendent inutilisables, par exemple dans le cas où le gaz subit une détente à travers le milieu. Il est nécessaire, pour décrire de tels écoulements et phénomènes, de se placer au niveau cinétique. La démarche proposée repose sur la décomposition de la fonction de distribution sur la base des polynômes d’Hermite et l’emploi de la quadrature de Gauss-Hermite associée à cette projection. L’aspect systématique de ce développement amène naturellement à considérer divers ordres d’approximation de l’équation de Boltzmann-BGK sous diverses quadratures. Il résulte alors de ces différentes approximations toute une famille de discrétisations de l’équation de Boltzmann-BGK, dont les LBM classiques ne sont qu’un membre. La détermination de l’approximation la plus adaptée est réalisée par analyse systématique des résultats obtenus aux différents ordres d’approximation. Ces méthodes sont testées avec succès dans des cas modèles.

  • Titre traduit

    Contribution of kinetic methods for the simulation of flows in porous media


  • Résumé

    The lattice Boltzmann method (LBM) have been applied very successfully to hydrodynamic flows in porous media. However, the limitation of these methods to isothermal and hydrodynamic flows, make them inadequate to simulate gas flows in micro-porous media. Indeed, in these conditions, the mean free path of the molecules could be of the same magnitude order as the pore size in which gas flows. Such flows will not be in hydrodynamic regime, but in regimes qualified of, slip or transitional ; for which the LBM are no longer valid. On the other hand, the isothermal character of LBM make them unusable, for example, in the case where the gas undergoes expansion through the media. It is then necessary, to take the kinetic point of view to describe such flows and phenomena. The proposed approach is based on the decomposition of the distribution function on the Hermite polynomials basis and the use of Gauss-Hermite quadrature associated with this projection. The systematic nature of this development naturally leads to consider different order of approximation of the Boltzmann-BGK equation in various quadratures. It then follows from these various approximations, a family of discretizations of the Boltzmann-BGK equation, whose classical LBM are a member. Determining the most suitable approximation is achieved by systematic analysis of the results obtained with different approximation orders. These methods are successfully tested in model cases.


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