Transport d'émulsions en milieux poreux bidimensionnels : effets d'hétérogénéités de géométrie et de surface

Emulsion transport in two-dimensional porous media : influence of geometric and surface heterogeneities

• Auteur / Autrice : Elliot Speirs
• Direction : Marie-Caroline Jullien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/11/2023
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Science de la Matière, des Molécules et Matériaux (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Virginie Salsac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Heitz, Florent Malloggi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Benjamin Dollet, Benoît Scheid

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement en milieux poreux

Mots clés libres

Émulsion

Micromodèle

Poreux

Tortuosité

Transport

Stabilité

Emulsion

Micromodel

Porous

Tortuosity

Transport

Stability

Résumé

L'écoulement multiphasique dans les milieux poreux est essentiel pour divers processus naturels et industriels, comme la séquestration géologique du CO2, la remédiation des sols, et la filtration de particules. Toutefois, des questions subsistent concernant l'effet du confinement et de la géométrie des milieux poreux sur le transport des émulsions. Nous explorons ces questions par des expériences utilisant des milieux poreux transparents et contrôlés, appelés micromodèles. Au sein de ces micromodèles, composés de réseaux de plots cylindriques, nous injectons une émulsion d'eau dans de l'huile. Notre étude révèle que l'alignement radial des plots, représentant la tortuosité géométrique du réseau, varie périodiquement en fonction de l'angle et exerce une influence significative sur le transport des gouttes, créant des chemins préférentiels reproductibles. En manipulant de manière systématique la configuration des plots, le nombre capillaire d'injection, la taille des gouttes, leur concentration, et la mouillabilité des surfaces, nous caractérisons le transport des gouttes ainsi que leurs conditions de rupture. Lorsque le nombre capillaire est faible, le transport radial des gouttes est homogène. Cependant, à mesure que le nombre capillaire augmente, les gouttes empruntent initialement les chemins les moins tortueux avant de passer à un régime d'écoulement stable, privilégiant les chemins les plus tortueux. En effectuant un suivi de gouttes à grande échelle, nous mettons en évidence l'influence de la tortuosité géométrique du milieu sur les motifs d'écoulement des gouttes, révélant des réponses contre-intuitives.

Multiphase flow in porous media is widely studied and impacts countless applications in many natural and industrial processes, such as geologic CO2 sequestration, groundwater remediation, and particle filtration. However, many questions remain, in particular regarding the effect of the confinement and the geometry of the porous medium on the transport of dispersions. We address these issues experimentally using transparent, controlled porous media: micromodels. We designed micromodels, consisting of networks of vertical cylindrical posts, at the centres of which we injected a water-in-oil emulsion.We show that the radial alignment of the posts, i.e., the geometric tortuosity of the network, varies angularly in a periodic manner and plays a key role in droplet transport by generating reproducible preferential paths. By systematically varying the geometrical configuration of the posts, injection capillary number, droplet size, droplet concentration, and surface wettability, we characterise the droplet transport and the conditions for droplet breakup. At low capillary numbers, radial droplet transport is homogeneous. By increasing the capillary number, droplets initially follow the least tortuous paths before transitioning to a stable flow regime whereby droplets flow primarily in the most tortuous paths. Through large-scale droplet tracking, we demonstrate the influence of the geometric tortuosity of the media on the resulting droplet flow patterns and the counter-intuitive responses that can arise.