Évaporation dans les milieux poreux : simulations sur réseaux de pores et approche continue

Résumé :

Le séchage des milieux poreux est au cœur de nombreux processus environnementaux et procédés industriels. Dans cette thèse, on s’intéresse aux milieux poreux capillaires, catégorie correspondant typiquement à des tailles de pores dans la gamme micronique. La modélisation du séchage est traditionnellement effectuée dans le cadre classique de l’approche continue des milieux poreux.  Bien que très utilisés, les modèles correspondant ne peuvent pas être considérés comme totalement prédictifs si bien que la théorie du séchage des milieux poreux dans la cadre continu est encore incomplète. Une difficulté bien identifiée de l’approche continue est le couplage avec les transferts externes. Dans cette thèse, ce point est étudié à partir de comparaisons avec des simulations sur réseaux de pores en se focalisant sur le régime dominé par les effets capillaires et la première période du séchage durant laquelle la surface du milieu poreux est partiellement mouillée. Ce couplage est étudié à partir des concepts de résistance interfaciale et de surface effective. La résistance interfaciale est caractérisée de façon détaillée à partir des simulations sur réseau de pores. Dans une deuxième partie, on se concentre sur une autre caractéristique majeure du séchage : le fait que la phase liquide se fragmente en de nombreux amas. Ceci conduit au développement d’un modèle continu à trois équations dans lequel la phase liquide est décomposée en une phase liquide percolante et une phase liquide non-percolante. Un très bon accord entre ce modèle et les simulations sur réseau de pores est obtenu. Enfin ce modèle à trois équations est étendu au cas où un soluté est présent dans la phase liquide. Ceci conduit à un modèle continu à cinq équations. Ici encore, un très bon accord est obtenu entre modélisation continue et simulations sur réseau de pores.   

Abstract :

Drying of porous media is at the heart of many environmental and industrial processes. In this thesis, we are interested in capillary porous media, a category typically corresponding to pore sizes in the micron range. Modeling of drying is traditionally carried out within the classical framework of the continuum approach to porous media. Although widely used, the corresponding models cannot be considered as fully predictive so that the theory of drying porous media in the continuous framework can be still considered as incomplete. A well-identified difficulty of the continuum approach is the coupling with external transfers. In this thesis, this point is studied from comparisons with simulations on a pore network model by focusing on the regime dominated by capillary effects and the first period of drying during which the surface of the porous medium is partially wetted. This coupling is studied based on the concepts of interfacial resistance and effective surface. The interfacial resistance is characterized in detail from the pore network simulations. In a second part, we focus on another major characteristic of drying: the fact that the liquid phase breaks up into numerous clusters. This leads to the development of a continuum three-equation model in which the liquid phase is decomposed into a percolating liquid phase and a non-percolating liquid phase. Very good agreement between this model and the pore network simulations is obtained. Finally, this three-equation model is extended to the case where a solute is present in the liquid phase. This leads to a continuum model with five equations. Here again, a very good agreement is obtained between the continuum modeling and simulations on a pore network.