Modélisation du transport par advection diffusion couplé à une réaction de dissolution dans les milieux poreux

Modeling of transport by advection diffusion coupled to a dissolution reaction in porous media

• Auteur / Autrice : Noubough Alhaj Sleiman
• Direction : Mustapha Hellou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 21/02/2023
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Pour l'Ingénieur (Lorient ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie civil et génie mécanique (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Azita Ahmadi-Sénichault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mustapha Hellou, Aurelian Fatu, Abdelghani Saouab, Mohamed Khaled Bourbatache, Franck Lominé
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Aurelian Fatu, Abdelghani Saouab

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement en milieux poreux

Dissolution

Minéraux

Méthode de Boltzmann sur réseau

Mots clés libres

LBM

Transport de masse

Réaction de dissolution

Porosité évolutive

Perméabilité

LBM

Mass transport

Dissolution reaction

Evolving porosity

Permeability

Résumé

Dans ce travail, un code de calcul basé sur la Lattice Boltzmann Method (LBM) a été implémenté dans PArallel LAttice BOltzman Solver (PALABOS) pour étudier les changements de géométrie induits par la dissolution d’un minéral lors du transport de masse dans différents types de milieux poreux. Pour ce faire, différentes conditions aux limites réactives ont été analysées et testées afin de construire un modèle approprié. Ce modèle a été implémenté et validé en comparant les résultats obtenus avec les résultats de la littérature. Ainsi, on a d’abord simulé la dissolution d’une fracture simple et une inclusion circulaire. Les simulations ont été réalisées pour une large gamme de régimes de transport et de réaction en variant les nombres Péclet (Pe) et Damköhler (Da). Les résultats montrent des changements de géométrie non-uniformes dans les deux cas pendant la dissolution. Elles montrent aussi que l’évolution des propriétés macroscopiques du milieu est fortement liée au régime de dissolution. Pour l’inclusion circulaire l’anisotropie a été quantifiée par le tenseur de tortuosité. L’étude est étendue au transport réactif dans un milieu à répétition séquentielle de plusieurs cellules élémentaires puis à des milieux aléatoires et complexes. Les résultats montrent que l’évolution des propriétés du milieu, telles que la porosité, la perméabilité et la tortuosité, est liée non seulement au régime de dissolution mais aussi à sa géométrie à l’échelle des pores. On observe également les régimes de dissolution uniforme, canalisée, frontale, ramifiée selon les valeurs des nombres adimensionnels Pe et Da.

In this work, a numerical code based on the Lattice Boltzmann Method (LBM) was implemented in PArallel LAttice BOltzman Solver (PALABOS) to study the geometry changes induced by the dissolution of a mineral during mass transport in different types of porous media. For this purpose, different reactive boundary conditions were analysed and tested in order to build an appropriate numerical model. This model was implemented and validated by comparing the results obtained with previous studies. We first simulated the geometries of a single fracture and an elementary cell with circular inclusion. The simulations were performed for a wide range of transport and reaction regimes with varying Péclet (Pe) and Damköhler (Da) numbers. The results show non-uniform deformations in both cases during dissolution. They also show that the evolution of the macroscopic properties of the medium is strongly related to the dissolution regime. For the circular inclusion the anisortopy was quantified by the tortuosity tensor. We extended the medium to a sequential repetition of several elementary cells and then to random and complex media. The results show that the evolution of the macroscopic properties of the medium is related not only to the dissolution regime but also to its geometry at the pore scale. We observe also the dissolution regimes uniform, channelled, frontal, ramified dissolution according to Pe and Da numbers.