MPB - Milieux Poreux et Biologiques

Key words : milieux hétérogènes, milieux poreux, milieux biologiques, biofilms, microcirculation

La thématique « Milieux Poreux et Biologiques » (MP&B) concerne l’étude des phénomènes de transfert et de transport dans des milieux hétérogènes au sens large et associant des couplages multiphysiques et des phénomènes réactifs. Ces milieux sont caractérisés par des aspects multi-échelles comme les milieux poreux (industriels, géologiques) ou les milieux biologiques (microcirculation, biofilm, tissus). La recherche est positionnée à l’interface entre les problématiques scientifiques amont et les questionnements et applications de l’ingénierie, de l’environnement et de la Santé.

Image 3D de biofilm (jaune) dans un empilement de billes (noir) obtenue en Tomographie-RX

Méthodologie pour le transport dans les Milieux Poreux et/ou Héteogène :

Approches multi échelles

La quasi-totalité des problèmes traités dans la thématique correspondent à des systèmes multi-échelles. De multiples méthodes ont été élaborées pour aborder ces problèmes aux échelles pertinentes pour l’application considérée et pour proposer des formes d’équations de bilan appropriées ainsi que des moyens d’estimer les propriétés effectives dans ces équations : des méthodes de changement d’échelle ont aussi été proposées (méthodes de prise de moyenne, analyse stochastique, théorie de l’homogénéisation, théorie des mélanges,…), des méthodes mésoscopiques (modélisation sur réseau, théorie de la percolation) ont également été mises en œuvre. La prise en compte de l’évolution du squelette poreux a fait l’objet de questionnements spécifiques tels que la précipitation / dissolution, les changements de phase, la croissance biologique.

L’expertise sur de nombreuses méthodes est disponible dans la thématique ce qui a permis de produire de nombreux résultats étendant leur domaine d’applicabilité. Ces méthodes, en effet, s’appuient sur des approximations basées sur des hypothèses de séparation d’échelle (rapport petite échelle sur grande échelle, plages particulières de nombres adimensionnels : nombre capillaire, Bond, Reynolds, Péclet, etc…). Le corpus bien établi correspond à des écoulements quasi-statique ou faiblement dynamiques, à bas nombre capillaire, nombre de Bond, bas nombre de Reynolds. Les travaux récents ont cherché à étendre le domaine d’application classique vers des milieux très perméables, ou très peu perméables. On retrouve également une préoccupation pour le développement de modèles non-équilibre local, et dynamiques prenant en compte des aspects non-linéaires forts (réactivité), dans les méthodes d’homogénéisation au sens large, ou dans les méthodes mésoscopiques du type réseaux.

Instabilités et phénomènes couplés

Les travaux développés dans le cadre de cette thématique concernent la modélisation théorique, numérique et expérimentale des instabilités observées en présence de couplages impliquant des transferts de chaleur et/ou de masse en milieux fluides et/ou poreux. La présence simultanée de gradients thermique, massique ou de tension de surface, couplés le plus souvent à des conditions aux limites instationnaires et en présence de champs de forces extérieures pouvant être instationnaires, génère des structures d’écoulements complexes. La structure de ces écoulements est fonction des nombreux mécanismes physiques (thermique, massique, thermo diffusion, convection de Marangoni, convection thermo-vibrationnelle et mixte). Certains de ces travaux ont été inscrits dans le cadre du GDR 2799 Micropesanteur Fondamentale et Appliquée.

Imagerie de la microstructure et post-traitements spécifiques

Comprendre la nature des couplages entre les phénomènes de transport et la géométrie/topologie des structures poreuses est une problématique transverse dans l’étude des milieux hétérogènes. Pour comprendre ces couplages, les méthodes d’imagerie sont très importantes puisqu’elles permettent de définir précisément les contours de la matrice poreuse à l’échelle porale, de capturer la distribution spatio-temporelle de différentes phases ou encore d’observer directement les mécanismes de transport. Il est alors possible d’analyser plus précisément les liens structures/transport, par exemple en réalisant des calculs de DNS mentionnés ci-dessus sur des géométries réalistes (e.g. empilement d’objets, roches, bioréacteurs). Ces calculs permettent de mieux appréhender la physique des processus et de calculer des propriétés effectives qui peuvent ensuite être utilisés dans des codes à plus grande échelle. L’utilisation de géométries réelles est aussi particulièrement adaptée aux applications en ingénierie avec des partenaires industriels (TOTAL, Air Liquide, BRGM, BURGEAP).

Une expertise a donc été développée dans ce domaine, notamment par des approches basées sur la microtomographie à rayons X. Ces outils sont gérés à travers la fédération FERMAT, avec un appareil de type GE Nanotom hébergé au CIRIMAT et un RX Solutions EasyTom XL hébergé à l’IMFT (acquisition automne 2018). La spécificité de l’appareil de l’IMFT est de disposer d’une enceinte blindée de grande dimension, ce qui permet l’expérimentation et l’instrumentation in situ et, à terme, de combiner différentes modalités pour l’observation simultanée des structures et de champs de concentration. La tomographie X est également combinée à d’autres approches, comme la microscopie biphotonique à balayage laser, notamment pour l’observation de biofilms, ou encore des méthodes optiques pour l’utilisation de micromodèles (voir section suivante). Pour ce faire, nous travaillons avec les plateformes d’imagerie de TRI Genotoul et nous sommes également équipés de méthodes de microscopie optique (fluorescence, motorisé, multi-échelles).

Méthodologies expérimentales

Un des points forts de la thématique est l’élaboration et l’utilisation de milieux poreux modèles, avec une géométrie de l’espace poral contrôlée, permettant d’étudier les phénomènes à l’échelle du pore à partir de visualisations directes. Une évolution notable des protocoles de fabrication de ces micromodèles a été rendue possible par l’acquisition d’une centrale de micro fabrication basée sur le laminage de films secs de résine époxyde, diminuant dans une certaine mesure la « dépendance » du groupe à la plate-forme Renatech du LAAS. La fabrication additive, rendue possible par l’acquisition d’une imprimante 3D par le laboratoire, a aussi permis la réalisation de structures poreuses 3D de géométries complexes [16]. Le contrôle des écoulements dans les micro-modèles se fait à partir d’outils microfluidiques classiques (contrôleur de pressions/débits et débit-métrie associée). L’analyse d’images obtenues par visualisation directe ou microscopie (ombroscopie, lumière blanche, fluorescence) reste un point fort du groupe.

Un investissement significatif a été fait pour développer des méthodologies de mesure des propriétés de transport et mécanique (statique, dynamique) des milieux poreux naturels, manufacturés et biologiques.

Thématiques Scientifiques

Theses and internships offered by the group

Annuaire du groupe

NomStatutGroupePage personnelleBatiment
Ababou RachidChercheur Toulouse INP - Professeur des Universités MPBNougaro
Amri AbdellahDoctorantMPB
Assemat PaulineChercheuse CNRSMPBNougaro
Bardan GéraldChercheur UT3 - Maître de ConférencesMPBNougaro
Benbelkacem MassinissaDoctoranteMPB
Blosse SarahDoctoranteMPBNougaro
Cazaurang SimonDoctorantMPBNougaro
Cochennec MaximeDoctorantMPB
Davit YohanChercheur CNRSMPBNougaro
Di XiangDoctorantMPBNougaro
Duru PaulChercheur Toulouse INP - Maître de ConférencesMPBNougaro
Estivalezes ErikChercheur UT3MPBNougaro
Ferreira-Duque Joao VictorDoctorantMPB
Ghiringhelli ElisaDoctoranteMPBNougaro
Giraud MarionDoctoranteMPBNougaro
Jacob Xavierchercheur UT3MPBNougaro
Julien Jean-DanielDoctorantMPBNougaro
Larue EdithPost-DoctoranteMPBNougaro
Licsandru GladDoctorantMPBNougaro
Liot OlivierChercheur Toulouse INP- Maître de ConférenceMPBNougaro
Lorthois SylvieChercheur CNRS -Directrice de RechercheMPBNougaro
Maalal OtmanDoctorant MPBNougaro
Mancini AnthonyDoctorantMPBNougaro
Marcoux ManuelChercheur UT3MPBNougaro
Mojtabi CatherineChercheur UT3- EmeriteMPBNougaro
Mojtabi KaderChercheur UT3 - EmeriteMPBNougaro
Mokhtari OmarDoctorantMPBNougaro
Moreno Adel MaximilienDoctorantMPBNougaro
Niang ElhadjiDoctorantMPBNougaro
Papadopoulos ChristosDoctorantMPBNougaro
Pastor AlonsoDoctorantMPB
Prat MarcChercheur CNRS MPBNougaro
PREVOST AliceDoctorantMPBNougaro
Quintard MichelChercheur CNRS - Directeur de RechercheMPBNougaro
Ramos Peroni GabrielDoctorantMPBNougaro
Rouch JeremyDoctorantMPBNougaro
Sauve AlexandreDoctorantMPBNougaro
Sharif AsmaDoctoranteMPBNougaro
Swider Pascalchercheur UT3 - Professeur des Universités - responsable de groupeMPBNougaro
Waisbord NicolasDoctorantMPBNougaro

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