Etude expérimentale et numérique des écoulements diphasiques en milieu poreux à l'échelle microscopique et macroscopique

par Anastasia Dollari (Natasa)

Projet de thèse en Mécanique des fluides

Sous la direction de Laurent Talon et de Dominique Salin.

Thèses en préparation à Paris Saclay en cotutelle avec National Technical University of Athens, Greece , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques (laboratoire) , Convection et transferts (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 25-04-2018 .


  • Résumé

    L'étude des phénomènes de transport dans les sols et les matériaux poreux est un domaine de recherche actif avec des applications scientifiques et technologiques significatives. Les processus les plus significatifs comprennent les écoulements, les transferts de masse et de chaleur. Ceux-ci entrent en jeu dans des applications traditionnelles liées à l'exploitation des ressources énergétiques naturelles (par exemple, la récupération assistée du pétrole et la production d'énergie géothermique), mais aussi dans une série de défis techniques majeurs du XXIe siècle, tels que les technologies liées au développement durable et les stratégies d'atténuation des changements climatiques (par exemple, la séquestration géologique du carbone ou la gestion des aquifères souterrains). Ces processus se produisent à l'intérieur de la structure très hétérogène des sols. Ce désordre entraîne un couplage non linéaire entre les phénomènes de transport et les écoulements qui se traduit par une dynamique complexe à l'échelle macroscopique. L'objectif principal de la recherche doctorale proposée est d'améliorer notre compréhension physique des processus de transport diphasique dans les milieux poreux en se concentrant principalement sur les couplages qui surviennent dans différentes conditions d'écoulement et de structure. Un des aspects qui nous intéresse particulièrement est le problème du transport diphasique en milieux poreux. Au travers d'une collaboration passée entre le FAST (Univ. Paris-Sud) et le Environmental Research Laboratory (EREL, National Technical University of Athens), nous avons en effet pu établir numériquement et expérimentalement que le désordre du milieu entrainait des phénomènes non-linéaires importants lors du déplacement d'un fluide (huile) par un autre (eau). Profitant de cette collaboration établie et de l'infrastructure expérimentale et informatique disponible des deux côtés, le candidat au doctorat effectuera d'abord des expériences d'écoulement diphasiques non miscibles en utilisant les modèles poreux 2D actuellement disponibles à FAST afin de déterminer la physique du transport à l'échelle pore/pore-réseau pendant la récupération des résidus de phase non mouillante. Ces études expérimentales seront progressivement étendues à des milieux 3D plus complexes qui décrivent mieux les propriétés structurales et les processus réels qui se produisent dans les matériaux géologiques. Cette tâche sera réalisée grâce à une collaboration avec l'Institut de structure électronique et laser de la Fondation pour la recherche et la technologie -Hellas (IESL-FORTH, Grèce), qui possède une expérience significative dans la construction de domaines poreux 3D en utilisant de nouvelles méthodologies d'additifs basées sur la photopolymérisation laser. Le travail numérique de cette recherche de doctorat s'appuiera ensuite sur des simulations à l'échelle des pores robustes (développés à FAST et EREL). Celles-ci seront utilisées en combinaison avec les études expérimentales susmentionnées pour compléter les informations à l'échelle microscopique et ainsi de mieux cerner les mécanismes dominants.

  • Titre traduit

    An experimental and numerical study of micro-macro scale couplings in multiphase transport processes within model porous media


  • Résumé

    The study of transport phenomena in soils and porous materials is an active field of research in applications of significant scientific and technological interest. Such processes include flow, mass and heat transfer in traditional applications related to the exploitation of the earth's natural energy resources (e.g. Enhanced Oil Recovery and Geothermal Energy Production), but also in a series of recently identified major engineering challenges of the 21st century, such as technologies related to sustainable development and climate-change mitigation strategies (e.g. geologic carbon sequestration and the management of groundwater aquifers). These processes occur within the highly heterogeneous internal structure of soils leading to a complicated highly non-linear interplay between transport phenomena with local reaction rates at the microscale with a profound effect on the apparent field scale dynamics. The successful design and implementation of integrated engineering solutions in subsurface applications processes in a sustainable and cost-efficient manner requires the development of rigorous physical and numerical models for the calculation of the apparent field scale dynamics based on the physics emanating at the microscale of porous media structures. The main objective of the proposed PhD research is to improve our physical understanding of reactive transport processes in porous media focusing primarily on micro-macro scale couplings that arise under different flow/structural conditions. This objective will be achieved using an integrated/multidisciplinary approach that combines state-of-the-art 3D additive manufacturing tools, microscopy visualization/imaging techniques and rigorous pore-scale numerical models. The activities of this thesis will be based on the close collaboration of two European research units with significant experience (both experimental and numerical) and proven scientific excellence in the fields of porous media studies; the Environmental Research Laboratory (EREL) affiliated with the National Technical University of Athens (NTUA, Greece) and the Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques Laboratory (FAST) of the Universite Paris Saclay (UPS, France). This collaboration has been established over the last 8 years through a series of EU funded projects (e.g. MultiFlow and Real Pore Flows) that have allowed for frequent research visits of scientific personnel. Taking advantage of this established collaboration and the available experimental and computational infrastructure on both sides, the PhD candidate will initially conduct immiscible two-phase flow experiments using currently available 2D porous models at FAST in order to determine the dominant transport physics at the pore/pore-network scale during the recovery of non-wetting phase residuals from porous media. These experimental studies will be progressively extended to more complex 3D media, as well as miscible processes, that better describe the structural properties and actual processes that occur within real geologic materials. This task will be achieved through a collaboration with the Institute of Electronic Structure & Laser of the Foundation for Research & Technology –Hellas (IESL-FORTH, Greece), which has significant experience in constructing 3D porous domains using novel additive methodologies based on laser photopolymerization. The numerical work of this PhD research will then rely on robust pore scale simulators (developed both at FAST and EREL), that will be used in combination with the aforementioned experimental studies, to provide invaluable insight on microscale effects and local flow conditions on the dominant transport mechanisms that determine fluxes and apparent reaction kinetics. The work of the PhD candidate in Greece will be supported for a minimum of 18months under the project 3DmicroPores (2018-2021, PI: Dr. A Yiotis) funded by the Hellenic Foundation for Research and Innovation.