Etude numérique et expérimentale, à l'échelle microstructurelle, du transport granulaire dans les matériaux poreux saturés

Numerical and experimental study at microstructurale scale, of the granular transport in satured porous materials

• Auteur / Autrice : Boumediene Benmezroua
• Direction : Mustapha Hellou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Rennes, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Sols -- Porosité

Perméabilité

Matériaux poreux

Milieux granulaires

Résumé

Le transport de particules solides dans un matériau poreux saturé, sujet à l’écoulement de fluide se produit dans les milieux naturels et dans diverses applications liées au génie civil. Ces particules solides peuvent colmater les interstices du matériau poreux et par conséquent réduire sa perméabilité ou au contraire se détacher du matériau poreux et provoquer son érosion. Ainsi, cette thèse s’attache à étudier à l’échelle des grains du matériau poreux les mécanismes du transport de particules en présence d’écoulement de fluide incompressible et de calculer les interactions fluide-solide pour contribuer à la connaissance des phénomènes de colmatage ou d’érosion. Le travail est réalisé principalement par la voie numérique utilisant un couplage original entre deux codes de calcul : PFC3D pour la matrice granulaire – CFD FINAS pour l’écoulement du fluide, validé par des expériences de visualisation menées sur des modèles de laboratoire. L’étude numérique et expérimentale de la filtration dans un milieu poreux bidimensionnel montre l’influence des particules sur le champ de vitesse du fluide qui se met à son tour en mouvement et accélère la filtration. L’étude des interactions particules-fluide par l’approche couplée DEM-CFD (Distinct Element Method -Computational Fluid Dynamics) a abouti a proposé une formulation de la traînée en fonction de la porosité du milieu poreux. Le couplage avec la loi de Darcy conduit à une relation pratique qui prédit la perméabilité en fonction de la porosité. L’étude est étendue à la filtration de particules solides dans un milieu poreux constitué d’un empilement désordonné de sphères dans lequel un fluide s’écoule en permanence. L’analyse à l’échelle des grains montre des zones de colmatage qui se développent dans le milieu poreux. L’étendue du colmatage est analysée en fonction de combinaisons des forces prédominantes que sont les forces de gravité et de viscosité. Des courbes de distribution des particules selon la profondeur sont trouvées.

The transport of solid particles in saturated porous material, subject to the fluid flow occurs in natural environment and specifically in civil engineering. These solids can clog the pores of the porous material and therefore reduce its permeability or otherwise separate from the porous material and cause internal erosion. Thus, this thesis aims to study mechanisms of particle transport at the scale of the grains of the porous material and in the presence of incompressible fluid flow. This work is performed primarily by computations using the coupling between two codes: PFC3D for granular matrix – CFD-FINAS for fluid flow. Visualization experiments were used to validate the DEM-CFD numerical coupling (Distinct Element Method - Computational Fluid Dynamics). The numerical and experimental study show the influence of particles on the fluid velocity field. These particles move to set in motion the fluid which in turn accelerates the filtration. Then the study of the particle-fluid interactions leads us to build a correlation of the drag force in function of porosity. Using Darcy’s law, this correlation leads to a useful equation which can predict the permeability in function of the porosity. The work is extended to study the filtration of solid particles in a random packing of spheres. The analysis of the results shows areas of blockage developing in the porous medium. The extent of clogging leading to reduction of the permeability is analyzed in terms of different combinations of the dominant forces which are the gravity force and the viscous force. Distribution curves of the particles in the medium are found.