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Thèse Jianwei Guo

15 septembre 2015

Modélisation numérique de la dissolution des cavités karstiques

Thèse Jianwei Guo

Mardi 22 septembre à 10 h 30 salle Castex rez de chaussée

Sous réserve d’autorisation de soutenance par les rapporteurs

Résumé :

La dissolution de cavités karstiques appelle à une description multi-échelle. A partir d’une discussion des hypothèses les plus fréquemment utilisées, un modèle à l’échelle du pore (ou micro-échelle) est développé pour des schémas réactifs géochimiques simples. L’impact du choix de conditions aux limites réactives ou équilibre thermodynamique est discuté. Ce modèle à l’échelle du pore est ensuite utilisé pour le développement de modèles aux échelles supérieures.

Le premier problème traité considère le transport sur une surface chimiquement hétérogène et rugueuse, caractérisée par une condition mixte pour le transfert de masse. Le modèle résultant est un modèle de surface effective (ESCM). Dans ce modèle, la surface initiale est remplacée par une surface localement lisse et homogène sur laquelle des conditions aux imites effectives sont imposées. Un exemple typique correspond à un écoulement laminaire sur une surface soluble contenant des particules de matière insoluble. Le concept de surface effective est développé à l’aide d’une méthode de décomposition de domaine. Dans ce contexte, vitesse, pression et concentration à la petite échelle près de la surface sont estimées par une méthode de développement asymptotique par rapport aux champs loin de la surface. Des problèmes de fermeture sont alors obtenus qui sont utilisés pour définir la position de la surface effective et les conditions aux limites effectives associées. L’effet sur les propriétés effectives de la position de la surface, des nombres de Reynolds, Schmidt et Damköhler est étudié. Une comparaison entre des résultats numériques à petite échelle avec ceux obtenus par le modèle effectif montre un bon accord.

Dans le cas du transport dans un milieu poreux, le deuxième problème de changement d’échelle étudié, une méthode de changement d’échelle basée sur la prise de moyenne spatiale est proposée (PMM) à partir du problème à l’échelle du pore avec des conditions aux limites d’équilibre thermodynamique ou réactives non-linéaires. Une expression générale du modèle macroscopique est obtenue impliquant plusieurs propriétés effectives qui sont données par la résolution de problèmes de fermeture à l’échelle du pore. Pour une cellule unitaire représentative stratifiée, les paramètres effectifs sont obtenus analytiquement ou numériquement, alors que les propriétés pour des cellules plus complexes 2D/3D sont obtenus numériquement. L’impact sur les paramètres effectifs des propriétés physiques à l’échelle du pore (en terme de nombre de Péclet, Damköhler et ordre de la réaction) est étudié pour des cellules unitaires 1D, 2D ou 3D. On montre que la tortuosité joue un rôle important dans les cas 2D et 3D, tandis qu’elle n’intervient pas classiquement pour le cas de cellules stratifiées. Quand le nombre de Damköhler est très petit, le coefficient de réaction effectif est identique à celui à l’échelle du pore, puis le modèle tend vers une situation équivalente à la condition d’équilibre thermodynamique lorsque le nombre de Damköhler devient très grand. En conséquence, le terme d’échange dans le bilan de masse macroscopique prend des formes mathématiques différentes. Un exemple d’application du modèle macroscopique est présentée en mettant l’accent sur l’apport potentiel des termes additionnels non-classiques sur la précision des prédictions.

Le modèle macroscopique de dissolution de milieu poreux est aussi utilisé comme un modèle à interface diffuse (DIM) pour décrire la dissolution d’une cavité à grande échelle, une cavité de gypse dans l’illustration traitée dans la thèse. Le modèle est basé sur l’approximation de pseudo-constituant, avec une condition d’équilibre à l’échelle du pore sur l’interface fluide-solide. Une méthodologie numérique est proposée pour choisir correctement les paramètres effectifs du DIM de façon à reproduire avec suffisamment de précision les flux et la vitesse de récession de l’interface. Une étude spécifique est effectuée sur l’impact du choix du modèle de bilan de quantité de mouvement macroscopique. De manière intéressante, les résultats numériques ne suggèrent pas un impact très important de ce choix dans le cas des problèmes aux limites traités. Des calculs ont aussi été effectués, dans le cadre d’une approximation de Boussinesq, pour évaluer l’impact éventuel de mouvements de convection naturelle. Les résultats indiquent un impact faible dans le cas de dissolution de cavités de gypse. Le potentiel de la méthode est illustré dans deux cas : un correspondant à une lentille de gypse dans un aquifère, l’autre au cas d’un pilier isolé dans une carrière souterraine. Les conséquences de la dissolution sur la stabilité mécanique sont étudiées à l’aide d’un modèle géomécanique simplifié. Enfin, un cas test est étudié montrant la possibilité d’utiliser le modèle dans le cas de dissolution d’une cavité saline, matériau plus soluble que le gypse.