Analytical, numerical, and experimental investigations of particle transport in fractures with flat and corrugated walls

par Ahmad Hajjar

Thèse de doctorat en Mécanique - Génie civil

Sous la direction de Michel A. Buès et de Luc Scholtès.

Le président du jury était Anne Tanière.

Le jury était composé de Valeri V. Mourzenko, Jean-Régis Angilella, Armelle Jarno-Druaux, Constantin Oltean.

Les rapporteurs étaient Valeri V. Mourzenko, Jean-Régis Angilella.

  • Titre traduit

    Études analytique, numérique, et expérimentale du transport de particules dans des fractures à parois plates et ondulées


  • Résumé

    Le but de cette thèse est d'étudier le transport et le dépôt de particules solides dans les écoulements à travers les fractures. Dans un premier temps, l'écoulement monophasique à travers les fractures est étudié afin d'évaluer la validité de la loi cubique locale comme modèle de l'écoulement. Des canaux à parois sinusoïdales à géométrie variable sont utilisés pour représenter différents types de fractures. Un premier développement analytique montre que l'ouverture hydraulique de la fracture diffère de son ouverture moyenne lorsque la rugosité des parois est élevée. La méthode des éléments finis est ensuite utilisée pour résoudre les équations de continuité et de Navier-Stokes et comparer les solutions numériques aux prédictions théoriques de la loi cubique locale sur une gamme relativement étendue de nombres de Reynolds Re. Pour de faibles Re, typiquement inférieurs à 15, la loi cubique locale décrit raisonnablement l'écoulement, surtout lorsque la rugosité et le déphasage entre les parois sont relativement faibles. Dans un deuxième temps, les écoulements chargés de particules sont étudiés. Une approche analytique est d'abord développée pour montrer comment des particules distribuées dans un écoulement stationnaire et laminaire à travers une fracture peuvent être transportées sur de longues distances ou au contraire se déposer à l'intérieur. Plus précisément, une équation simple décrivant la trajectoire d'une particule est établie. Sur la base de cette équation, il est démontré que, quand l'inertie des particules est négligeable, leur comportement dépend directement de la géométrie de la fracture et d'un nombre adimensionnel W qui relie la vitesse de sédimentation des particules à la vitesse moyenne de l'écoulement. L'équation proposée est vérifiée en comparant ses prédictions à des simulations numériques de suivi de particules prenant en compte l'inertie des particules et résolvent complètement les équations de Navier-Stokes. Il est montré que l'équation est valide lorsque l'inertie du fluide est faible. Des diagrammes de régimes, permettant de prévoir le comportement des particules à travers la fracture sont proposés. Enfin, un appareil expérimental conçu dans le but d'effectuer une évaluation pratique du modèle analytique est présenté et les résultats préliminaires sont discutés. Les résultats expérimentaux préliminaires tendent valider le modèle analytique. De façon plus générale, les résultats obtenus à travers ce travail de thèse font progresser nos connaissances du comportement des petites particules transportées dans les écoulements de fractures. Potentiellement, ce travail devrait permettre d'améliorer notre prévision de la pollution souterraine, et peut avoir des applications dans le développement de nouvelles techniques de filtration de l'eau et de séparation des minéraux


  • Résumé

    The aim of the present thesis is to study the transport and deposition of small solid particles in fracture flows. First, single-phase fracture ow is investigated in order to assess the validity of the local cubic law for modeling ow in corrugated fractures. Channels with sinusoidal walls having different geometrical properties are considered to represent different fracture geometries. It is analytically shown that the hydraulic aperture of the fracture clearly deviates from its mean aperture when the walls roughness is relatively high. The finite element method is then used to solve the continuity and the Navier-Stokes equations and to simulate fracture ow in order to compare with the theoretical predictions of the local cubic law for Reynolds numbers Re in the range 0.067-67. The results show that for low Re, typically less than 15, the local cubic law can properly describe the fracture ow, especially when the fracture walls have small corrugation amplitudes. For Re higher than 15, the local cubic law can still be valid under the conditions that the fracture presents a low aspect ratio, small corrugation amplitude, and moderate phase lag between its walls. Second, particle-laden flows are studied. An analytical approach has been developed to show how particles sparsely distributed in steady and laminar fracture flows can be transported for long distances or conversely deposited inside the channel. More precisely, a rather simple particle trajectory equation is established. Based on this equation, it is demonstrated that when particles' inertia is negligible, their behavior is characterized by the fracture geometry and by a dimensionless number W that relates the ratio of the particles sedimentation terminal velocity to the ow mean velocity. The proposed particle trajectory equation is verified by comparing its predictions to particle tracking numerical simulations taking into account particle inertia and resolving the full Navier-Stokes equations. The equation is shown to be valid under the conditions that ow inertial effects are limited. Based on this trajectory equation, regime diagrams that can predict the behavior of particles entering closed channel flows are built. These diagrams enable to forecast if the particles entering the channel will be either deposited or transported till the channel outlet. Finally, an experimental apparatus that was designed to have a practical assessment of the analytical model is presented. Preliminary experimental results tend to verify the analytical model. Overall, the work presented in this thesis give new insights on the behavior of small particles in fracture flows, which may improve our prediction and control of underground contamination, and may have applications in the development of new water filtration and mineral separation techniques


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