Écoulement dans une fracture de géométrie radiale : influence d'une rugosité périodique

Flow in radial fracture : influence of periodic roughness

• Auteur / Autrice : Sonia Crosnier
• Direction : Michel A. Buès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil, hydrosystèmes, géotechnique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rugosité

Roches -- Perméabilité

Roches -- Fracturation

Résumé

Le sujet s'inscrit dans une thématique "écoulement dans les massifs rocheux fracturés". Nous avons étudié le comportement hydraulique des écoulements divergents dans des fractures radiales lisse et rugueuses (motif de rugosité périodique). Ces écoulements montrent des différences significatives comparées au modèle d'écoulement entre deux plans. La variation continue du nombre de Reynolds local engendre des effets inertiels macroscopiques. Ces forces d'inertie sont renforcées par les fluctuations locales de la vitesse dues aux rugosités qui entraînent des effets inertiels microscopiques et une dissipation visqueuse supplémentaire. Trois approches ont été mises en œuvre: expérimentale, numérique et théorique. L'approche théorique, basée sur une technique d'homogénéisation, nous a permis d'obtenir une nouvelle équation macroscopique de l'écoulement qui apporte, par rapport à la solution de Stokes, des termes de corrections tenant explicitement en compte: (i) de la force d'inertie globale, (ii) des forces d'inertie locales (correction cubique en terme de débit volumique) et (iii) de la dissipation visqueuse supplémentaire. L'approche expérimentale a été réalisée à partir d'un dispositif original permettant de mesurer les vitesses par LDV. La fracture rugueuse est asymétrique, la surface du disque supérieur comporte des cavités de sections carrées. Pour l'approche numérique, nous avons eu recours à un code industriel: CFD-ACE. Ces études ont permis: (i) de justifier la validité de la loi macroscopique pour un écoulement laminaire de faible inertie à travers une fracture radiale rugueuse dont le rapport "ouverture moyenne sur période des rugosités" est petit devant un, et dans le cas contraire, (ii) de mettre en évidence une correction quadratique en terme de débit volumique due aux forces inertielles microscopiques pour un écoulement de forte inertie et (iii) de relier ces phénomènes physiques à des cartes de vitesses particulières.