La convection thermique dans les milieux fracturés : modélisation avec la méthode des éléments distincts

The thermal convection in fractured media: modelisation with the distinct element method

• Auteur / Autrice : Ghassan Abdallah
• Direction : Jack-Pierre Piguet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil et minier
• Date : Soutenance en 1994
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des terrains (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Claude Chambon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guy Vasseur, Philippe Weber

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fracturation hydraulique

Stockage souterrain

Méthode des éléments discrets

Modèles mathématiques

Chaleur -- Convection

Mots clés libres

Milieu poreux

Milieu fissuré

Convection

Modèle mathématique

Stockage souterrain

Fracturation hydraulique

Massif rocheux

Transfert chaleur

Conductivité thermique

Champ geothermique

Thermohydromécanique

Porous materials

Fractured environment

Mathematical models

Underground storage

Hydraulic fracturing

Rock masses

Heat transfer

Thermal conductivity

Geothermal fields

Résumé

L’étude des phénomènes couplés thermo-hydro-mécaniques intéresse la communauté scientifique aujourd'hui confronté au problème du stockage des déchets. La modélisation est un outil essentiel pour prédire l'évolution complexe du milieu hôte et de ces déchets. Parmi les approches numériques existants, on distingue les approches de types éléments finis et les approches de type éléments distincts. Si la première, plus ancienne, a déjà donné lieu à de nombreux développement et applications, elle rend mal quelquefois la réalité du massif rocheux fracturé. Nous avons souhaité cette dernière approche en la rendant capable de modéliser les échanges thermiques convectifs liés à la circulation d'un fluide dans les fissures de roche. Nous suspectons en effet que ce phénomène peut être important si le gradient hydraulique est suffisamment élevé. Une étude bibliographique nous a permis de mettre en évidence les paramètres qui déterminent ce phénomène dont le principal est le coefficient de transfert thermique h entre la roche et le fluide. Les nombreuses formulations recensées ne sont pas totalement suffisantes à expliciter la réalité de ses effets. D’autres mesures, in situ et en laboratoire, s'avèrent nécessaires. Nous avons pu établir des expressions pour les termes d'échange thermique entre le fluide et la roche et à l'intérieur du fluide lui-même. Souhaitant donc modéliser le phénomène à l'aide d'une approche adaptée au milieu discontinu, notre choix s'est porte sur le logiciel UDEC (Universal Distinct Element Code) dont la structure permettait moyennant quelques modifications d'accueillir les développements envisagés. Les algorithmes de calcul sont basés sur les différences de vitesse entre les transferts thermiques convectifs et conductifs. Nous avons testé notre modèle dans le cas de l'écoulement d'un fluide froid entre 2 blocs. Dans le cas d'une modélisation thermohydraulique, les échanges thermiques calculés sont cohérents et s'accordent avec ceux calculés par une autre approche numérique. On observe en effet que la convection thermique croit avec l'ouverture hydraulique de la fracture, la vitesse du fluide et décroit avec sa viscosité. Des calculs thermo-hydromécaniques ont montré la nécessité d'alterner les calculs thermiques et les calculs hydromécaniques suffisamment fréquemment pour rendre compte de la réalité du couplage. Notre modèle a été utilisé à grande échelle et a permis également d'interpréter les anomalies thermiques mesurées sur le site géothermal du Cézallier