Modélisation des écoulements diphasiques à l'échelle de pores dans des milieux déformables à l'aide de méthodes particulaires (SPH)

Modelling damage and dilatant two-phase flow at pore scale using Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method

• Auteur / Autrice : Rafael C. Deptulski
• Direction : Djimédo Kondo, Magdalena Dymitrowska
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 26/02/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Dumontet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hanen Amor, Radhi Abdelmoula, Farid Benboudjema
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Vincent Monchiet, Hakim Naceur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture, Mécanique de la

Méthodes particulaires (analyse numérique)

Écoulement diphasique

Perméabilité

Roches argileuses

Mots clés libres

SPH

Effet non-local

Endommagement et rupture

Méthodes particulaires

Ecoulement diphasique

Hydromécanique des roches

SPH

Non-local effects

Damage and rupture

Particulate methods

Two phase flow

Hydromechanics of rocks

Résumé

L'évaluation de la sûreté d'une installation de stockage de déchets radioactifs installée dans des roches argileuses à très faible perméabilité est l'un des enjeux majeurs de cette thèse. A l’aide de la méthode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), nous avons étudié la réponse mécanique de l'argilite du Callovo-Oxfordien (COx) dans un phénomène hydromécanique couplé lié à la migration des gaz, notamment la caractérisation du phénomène de chemin préférentiel à l'échelle des pores. Nous avons proposé une étude approfondie de la réponse des matériaux solides via le solveur SPH et sa fonction de lissage. Nous avons démontré avec précision la prise en compte des effets non-locaux dans l’élasticité et dans l’endommagement. Ces effets sont introduits de façon purement numérique et sont indépendants de la discrétisation. Dans ce contexte, le modèle proposé a conservé une équation locale du modèle d'endommagement à partir d’une formulation thermodynamique, tandis que la régularisation non locale a été effectuée numériquement. Nous observons que la largeur des zones endommagées est liée à la longueur de support de la fonction de lissage, ce qui confirme que ce paramètre numérique joue un rôle physique et peut être ajusté aux propriétés matérielles. Les simulations de drainage dans l’espace poreux d’un échantillon de COx conduisent à la dilatation des pores lors de la percolation du gaz. Nous avons démontré que la pression de confinement peut affecter le phénomène de fracturation de la matrice argileuse avec la création d'un nouvel espace poreux ainsi qu'il est possible de connecter des pores initialement isolés et de générer de nouveaux domaines d’écoulement percolant.

The safety assessment of a radioactive waste disposal facility installed in very low permeable clay rocks is one of the major issues this thesis aims to contribute. We focused on studying, through the SPH method, the mechanical response at the pore-scale of the Callovo-Oxfordian clay (COx) in a coupled phenomenon related to the gas migration.An in-depth study of solid material response through SPH solver was proposed. Small and large deformations were considered, where for the latter, a Total Lagrangian version was implemented through the Saint Venant-Kirchhoff constitutive model. First, an investigation for finite values of the SPH kernel support length was performed, which allowed characterising higher-order effects (also called non-local effects). The non-local effects appear to be directly related to the support-length parameter, which is purely numerical (and inherent to the SPH). We also proposed a non-local SPH-based approach to compute damage and fracture. The width of the localised damage zone is independent of the discretisation, and it is related to the kernel support-length. In quasi-static simulations, it was observed that the fracture propagation, which follows the damage localisation, was accompanied by an increase of kinetic energy and the discontinuity of the displacement fields.A set of SPH drainage simulations within a realistic porous material (COx clay) was proposed. The drainage led to the pore-space dilation during gas percolation. We showed that different confining pressure can affect the onset of fracturing with new pore space creation and also that initially isolated pores can be connected generating new percolating pathways.