L'objectif principal de ces travaux de thèse est l'étude expérimentale de la mobilisation de l'huile dans le cadre de la récupération assistée du pétrole à base de tensioactif dans un milieu poreux en deçà de la saturation en huile résiduelle. A saturation en huile résiduelle, le réseau d'huile est déconnecté et constitué de ganglions dans l'ensemble du milieu poreux. Cette huile résiduelle est difficile à produire dans les conditions classiques de récupération du pétrole à cause du piégeage capillaire des ganglions, piégeage corrélé à la tension interfaciale entre l'huile et l'eau. Le déplacement de la solution de tensioactif et sa caractérisation a été réalisé au travers d'injections en milieux poreux naturels. L'étude a été réalisée dans un premier temps en conditions monophasiques, c'est-à-dire en absence d'huile. Les courbes de percée ont été analysées pour étudier les paramètres de dispersivité et d'adsorption des échantillons. Les expériences sont ensuite utilisées pour améliorer la modélisation du transport du tensioactif en milieu poreux. Pour le cas diphasique, nous avons développé un système microfluidique avec une géométrie de pore variable, le plus représentatif possible d'un milieu poreux naturel. Il s'agit dans les expériences d'injecter un petit ganglion d'huile à travers un canal central et de balayer la puce microfluidique avec la solution tensioactive dans des conditions contrôlées. L'objectif est d'étudier le déplacement du ganglion d'huile au sein du micromodèle. De nouveaux mécanismes sont identifiés et une voie de modélisation des phénomènes physique est proposée. / The main objective of the PhD is to study experimentally the oil mobilization using surfactant in a porous media below the residual oil saturation. At the residual oil saturation, the oil network is disconnected and organized in ganglia of different sizes and shapes all along the sample. This residual oil is difficult to produce in the classical conditions of water flooding because of capillary trapping created by the interfacial tension between oil and water. Injection of surfactant is able to mobilize the remaining oil at flow rates consistent with the real case of an oil mature reservoir. The use of surfactant allows lowering the interfacial tension by several orders of magnitude, towards ultra-low values (10-3 mN/m), strongly decreasing the capillary forces and so, mobilizing the oil. The first main study of the PhD work was to characterize the displacement of the surfactant injected in a sandstone sample in monophasic conditions (without oil). Breakthrough curves have been analyzed in term of dispersivity and adsorption. Experiments have shown that a better way to model the surfactant transport is to use a Langmuir kinetic adsorption model. For the diphasic case, we have developed a microfluidic 2D system with a random pore geometry of controlled conditions. The experiments are based on the injection of a small ganglia through a central channel, then, a surfactant flood is generated. The aim is to see how ganglia are displaced within the micromodel. New mechanisms have been identified and a way to model those phenomena has been proposed. A better understanding of surfactant and oil transport in porous media is key for chemical enhanced oil recovery processes.

Cette thèse est consacrée à l’étude du drainage dans des micromodèles de milieu poreux. Les techniques classiques de microfluidique (verre, PDMS) sont utilisées pour la réalisation de poreux modèles 2D de type grille. Des techniques de traitement de surface permettent de faire varier les conditions de mouillage. Le mouillage total, pseudo-partiel et partiel est étudié. Des méthodes d’analyse d’images sont développées afin de quantifier les vitesses locales lors de l’invasion du milieu poreux, vitesses qui sont ensuite comparées aux vitesses imposées. Ces données mettent en évidence avant percolation des comportements très différents selon la nature du mouillage. Un modèle permet de rendre compte des phénomènes observés. Nous expliquons pourquoi l’évolution après la percolation diffère selon la nature du mouillage. Enfin, l’influence de la rhéologie du fluide pousseur est abordée, celle d’un balayage initial à l’eau à très faible nombre capillaire également. / Drainage experiments in model porous media are performed. Our 2D micromodels consist of a regular network; they are made in glass or in PDMS. The wetting properties of the chip vary from total, pseudo-partial to partial wetting. Experiments are performed under flow rate control. Taking advantages of microfluidic devices, local velocities of the injected fluid are measured. The average of all these local velocities is compared to the velocity imposed by the syringe pump. Before percolation, the invasion percolation process for all wetting cases is studied. Depending on the wetting properties, several behaviours are observed. We develop a model to explain our experimental data. After percolation, the effects of wetting are huge; we explain why oil could remain trapped or not. Finally, we consider the influence of rheology by injecting non Newtonian liquids as pushing fluids, and also the effects of preferential paths.

Les écoulements pyroclastiques sont des mélanges à haute température de gaz et de particules volcaniques qui peuvent se propager sur de très grandes distances. Cette forte « mobilité » est souvent attribuée à leur capacité à se fluidiser, c’est-à-dire à générer et conserver une forte pression interstitielle de gaz qui réduit les forces de friction interne. L’objectif principal de cette thèse est de comprendre comment les irrégularités des terrains sur lesquelles se propagent les écoulements pyroclastiques peuvent favoriser leur fluidisation. Une première série d’expériences de laboratoire a consisté à générer des écoulements de particules fines (diamètre de 45-90 μm) sur des substrats de différentes rugosités. Les résultats montrent que la distance de parcours des écoulements augmente avec la rugosité, allant jusqu’à doubler par rapport à la distance de parcours sur fond lisse. Des analyses de vidéos haute vitesse et des mesures de pression interstitielle d’air à la base des écoulements montrent que la tête (partie antérieure) des écoulements qui se propagent sur un substrat rugueux s’auto-fluidisent en conséquence de la sédimentation des particules dans les interstices du substrat, chassant l’air qui remonte et percole dans l’écoulement. Ce mécanisme d’auto-fluidisation est efficace pour toutes les inclinaisons étudiées (0-30°), suggérant qu’il est susceptible de se produire tout au long de la mise en place d’un écoulement pyroclastique. Une seconde étude a consisté à faire chuter des lits de particules dans une colonne statique. Les résultats montrent que même pour une hauteur de relâchement relativement faible (20 cm), le mélange peut entièrement s’auto-fluidiser durant sa chute. Quand les particules sont suffisamment fines (<100 μm) la pression interstitielle dans le dépôt diffuse pendant plusieurs secondes, la durée de cette diffusion augmentant avec l’augmentation de l’épaisseur du lit et la diminution de taille des particules. Les temps de diffusions les plus longs sont observés avec un matériau provenant d’un dépôt d’écoulement pyroclastique (~30 s pour des lits de 28.5 cm d’épaisseur). Ces résultats suggèrent que les écoulements pyroclastiques qui se propagent sur des terrains accidentés peuvent s’auto-fluidiser et conserver une faible friction au cours de leur mise en place. / Pyroclastic flows are hot mixtures of gas and particles that can propagate over large distances. This high “mobility” is often attributed to their ability to be fluidized, that is, to generate and retain high gas pore pressure that reduces internal friction forces. The main objective of this thesis is to understand how irregularities of substrates on which pyroclastic flows propagate can enhance their fluidization. A first set of laboratory experiments consisted of the generation of fine-grained flows (diameter of 45-90 μm) on substrate of various roughness. Results show that the flow runout distance increases with the substrate roughness, and is up to twice the runout on a smooth substrate. High speed video analyses and air pore pressure measurements at the flow base show that the flow head propagating over a rough substrate can auto-fluidize because of particles sedimentation into the substrate interstices, which forces the air to escape upward and percolate through the flow. This auto-fluidization mechanism is efficient at all inclinations investigated (0-30°), suggesting that it could occur during the whole emplacement of a pyroclastic flow. A second study consisted of the vertical release of beds of particles in a static column. Results show that the granular mixture can be fully fluidized, even when collapsing from a relatively low height (20 cm). When particles are fine enough (<100 μm), pore pressure in the deposit diffuses for several seconds, the diffusion duration increasing with increasing bed thickness and decreasing particle size. The longest diffusion durations are observed for pyroclastic flow deposit materials (~30 s for 28.5 cm thick beds). These results suggest that pyroclastic flows propagating on irregular terrains can auto-fluidize and preserve low internal friction during their emplacement.

Les dysfonctionnements observés dans les enceintes de conversion thermochimique tels que les zones mortes et les courts-Circuits conduisent en général à une mauvaise valorisation de la ressource énergétique et à une pollution atmosphérique. Ils trouvent leur origine dans les conditions aérauliques au sein de ces enceintes. Ils pourront alors être évités par une meilleure maîtrise de ces écoulements. Nous proposons dans ce travail d’une part, le développement d’un nouvel outil pour la détermination de la distribution des temps de séjour de la phase solide, basé sur la luminescence de particules préalablement enrobées de pigments phosphorescents. Cette méthode systémique, optique, non intrusive et souple d’emploi a été mise en place à l’échelle laboratoire sur un banc d’essais aéraulique. D’autre part, nous avons développé un modèle numérique permettant de déterminer la distribution des temps de séjour afin de maîtriser les écoulements à la sortie des enceintes en vue de les optimiser et les extrapoler à l’échelle industrielle. Cette approche analytique est basée sur une modélisation par couplage MFN de type volumes finis du comportement d’un fluide à l’aide du Code Saturne et DEM de type éléments discrets du comportement du solide à l’aide du code SIGRAME. Enfin une confrontation de la DTS du modèle numérique avec laDTS expérimentale a été réalisée. / Dysfunctions observed in thermochemical conversion reactors like dead zones and short circuits generally lead to inaccurate pricing of energy resources and air pollution. They originate in the air flow conditions in these aeraulic reactor. They can then be avoided by a better control of these flows. We propose in this work to develop a new tool for determining the distribution of residence time of the solid phase, based on the luminescence of particles previously coated with phosphorescent pigments. This optical method, non-Intrusive and flexible, has been implemented at a laboratory scale, on an aeraulic test bench.On the other hand, we have developed a numerical model allowing to determine the distribution of the residence time to master the flows at the exit of surrounding walls to optimize them and extrapolate them at the industrial scale. This analytical approach is based on a modelling by coupling MFN by finite volume types via the Code Saturn and DEM by discrete elements of the solid behavior by means of the code SIGRAME. Finally a confrontation of the DTS of the digital model with the experimental DTS has been done.

Cette thèse porte sur l'étude de modèles et de méthodes numériques pour les écoulements diphasiques compressibles à faible nombre de Mach. Toutes les méthodes numériques développées dans cette étude sont basées sur une formulation de type volumes finis en maillages non structurés. La première partie de cette thèse propose une analyse du comportement des schémas décentrés de type Godunov dans la limite des faibles nombres de Mach. Nous expliquons de manière rigoureuse les raisons pour lesquelles ces schémas aboutissent à des approximations imprécises lorsque les écoulements sont très proches de l'incompressible. Nous développons alors des méthodes de préconditionnement adaptées qui permettent de retrouver de bonnes approximations. Ce premier travail complète un certain nombre de travaux récents sur l'analyse des schémas décentrés dans la limite des faibles nombres de Mach. Le deuxième point abordé dans cette thèse est un travail de modélisation où nous développons à partir d'un modèle bi-fluides à sept équations de type Baer-Nunziato, un modèle réduit à cinq équations pour les écoulements diphasiques. Ce travail présente une méthode originale de réduction de systèmes hyperboliques avec termes sources raides. Nous développons pour ce modèle un schéma numérique implicite et suivant la stratégie utilisée dans la première partie de cette thèse, une technique de préconditionnement adaptée aux écoulements à faible vitesse. Les expériences numériques réalisées montrent que ce modèle est bien adapté au calcul d'ondes de détonations ainsi qu'à la simulation d'interfaces entre fluides compressibles. Enfin la dernière partie de cette thèse porte sur l'étude d'un modèle à sept équations pour le calcul d'écoulements diphasiques à faible nombre de Mach. On développe des méthodes numériques implicites basées sur des solveurs de Riemann approchés, permettant de réduire les coûts de calcul pour ce type de régime.

Ce travail de thèse porte sur l'extension et l'analyse d'un solveur volumes finis eulérien, co-localisé avec capture d'interfaces pour la simulation des écoulements multi-matériaux non miscibles. Les extensions proposées s'inscrivent dans la volonté d'élaborer un outil de simulation multi-physiques. Dans le cadre de ce mémoire, le caractère multi-physiques recouvre les champs que nous allons détailler. Nous traitons le cas des écoulements radiatifs modélisés par un système à deux températures qui couple les phénomènes purement hydrodynamiques aux phénomènes radiatifs. Nous proposons un solveur permettant la prise en compte des effets de tension superficielle à l'interface entre deux fluides. Nous développons un solveur implicite permettant la simulation précise d'écoulements faisant intervenir de faibles nombres de Mach par le biais d'une méthode de renormalisation de la diffusion numérique. Enfin, les effets tri-dimensionnels sont considérés ainsi que la possibilité d'étendre le schéma de base aux écoulements à un nombre quelconque de matériaux. A chaque étape, les solveurs développés sont validés sur des cas-tests. / This work is devoted to the extension of a eulerian cell-centered finite volume scheme with interfaces capturing for the simulation of multimaterial fluid flows. Our purpose is to develop a simulation tool which could be able to handle multi-physics problems in the following sense. We address the case of radiating flows, modeled by a two temperature system of equations where the hydrodynamics are coupled to radiation transport. We address a numerical scheme for taking surface tension forces into account. An implicit scheme is proposed to handle low Mach number fluid flows by means of a renormalization of the numerical diffusion. Eventually, the scheme is extended to three-dimensional flows and to multimaterial flows, that is with an arbitrary number of materials. At each step, numerical simulations validate our schemes.

On étudie des phénomènes de séparation d'écoulement avec deux approches différentes. Dans la première partie, on considère des écoulements 2D, instationnaires, incompressibles et non visqueux. Un modèle analytique-numérique, basé sur la jonction d'une transformation conforme et d'une méthode aux tourbillons ponctuels, est construit pour définir l'écoulement potentiel dans un domaine doublement connecté où les corps sont caractérisés par une variation temporelle de leur circulation. En particulier, on s'intéresse à l'étude de l'écoulement autour d'un VAWT avec deux pales. Dans la seconde partie on considère des écoulements visqueux et compressibles. On construit un solveur qui résoud les équations de Navier-Stokes en y introduisant une technique de pénalisation: les corps sont modélisés comme des milieux poreux ayant une porosité très petite par rapport à la porosité du fluide extérieur. Cette technique permet d'utiliser des maillages cartésiens pour des géométries très complexes. / In the present work flow separation phenomena are investigated by means of two different approaches. In the first part, 2D unsteady incompressible inviscid flows are studied. An analytical-numerical model, based on the conjunction of a conformal mapping and a point vortex method, is built to define the potential flow field in a doubly connected domain where bodies are characterized by a variation in time of their circulation. In particular, the study of the unsteady flow past a 2-blade Darrieus VAWT is addressed. Until now the study of vortex motions has only been described in doubly-connected flow fields where the circulations have a constant null value. The flow field here analysed has a deep unsteadiness, which determines the circulations varying in time: so a technique is developed to uniquely define the circulations around the bodies. Three conditions result necessary to be imposed: in addition to the two Kutta conditions at the trailing edges, another one has to be imposed in order to respect the Kelvin theorem. With a classical configuration, this machine, experiencing angles of attack of opposite values, gives rise to complex vortex shedding phenomena that reduce its performances and stress its structure. In order to control the flow separation from the blades, an innovative solution is qualitatively investigated which consists of taking blade profiles provided with vortex trapping cavities. Interesting results are obtained, even if in the limit of inviscid flow. In the second part compressible viscous flows are taken into account. A fully Navier-Stokes equations solver is implemented introducing the penalization technique. The idea is to replace the bodies by the fluid, in a way that also into the bodies the penalized Navier-Stokes equations remain valid, respecting the boundary conditions on their contours. Starting from this purpose, the bodies are considered as porous media with a little porosity with respect to that of the external flow, which tends to infinity. This technique allows simple Cartesian meshes to be used, also for very complex geometries like those of industrial interest. The resulting code is tested on different flow fields, both steady and unsteady, both subsonic and supersonic, obtaining always a good agreement with other theoretical and numerical results described in literature.

Cette thèse porte sur le transport de fibres isolées et de suspensions de fibres dans des géométries microfluidiques. L'utilisation de fibres dans les fluides de forage et ciments pour réduire les pertes de circulation dans les puits de pétrole est à l'origine de cette collaboration entre Schlumberger et l'ESPCI-PMMH. Dans ce contexte industriel où les fibres en écoulement interagissent avec les roches frontières du puits et des fractures, il est nécessaire de comprendre le rôle de la géometrie des fibres, leurs propriétés mécaniques et leur concentration, ainsi que la géométrie d'écoulement. Nous avons créé un système microfluidique modèle qui intègre dans la même expérience la fabrication et la mise en écoulement de fibres, implémentant deux techniques différentes. Ce système nous permet d'étudier indépendamment l'effet de tous les paramètres d'écoulement. Nous proposons une méthode de mesure in situ des propriétés mécaniques des fibres. Nous étudions expérimentalement et numériquement le transport de fibres isolées dans un écoulement de Darcy, en fonction de l'orientation et du confinement de la fibre. Lorsque la largeur du canal microfluidique diminue, des interactions entre la fibre et les bords latéraux du canal apparaissent. Elles mènent à un mouvement oscillatoire et régulier de la fibre entre les bords dont nous étudions la dynamique. Nous nous intéressons enfin aux effets collectifs de fibres en suspensions qui s'écoulent à travers une restriction. Nous étudions en particulier le rôle joué par leur orientation sur le blocage des restrictions, et la formation de flocs en amont de celles-ci.

Cette thèse est consacrée au développement et à la comparaison des méthodes de suivi d'interface pour les écoulements diphasiques incompressibles. Elle s'intéresse à la sélection de méthodes robustes de suivi d'interface, puis à leur couplage avec le solveur des équations de Navier-Stokes. La méthode level-set est en premier lieu étudiée, en particulier l'influence du schéma d'advection et de l'étape de réinitialisation sur la qualité des résultats du suivi d'interface. Il a été montré que la méthode de réinitialisation avec contrainte de volume est robuste et précise en combinaison avec des schémas conservatifs WENO d'ordre 5 pour l'advection. Il a été constaté que les erreurs du suivi d'interface augmentent de manière abrupte lorsque la condition CFL est trop petite. Comme remède, la réinitialisation du champ level-set effectuée moins souvent réduit la diffusion numérique et le déplacement non-physique de l'interface. La conservation de la masse n'est pas assurée avec les méthodes level-set. Les méthodes VOF (volume-of-fluid) qui conservent naturellement la masse du fluide de référence sont alors étudiées. Une résolution géométrique avec un schéma consistent et conservatif est alors adoptée, ainsi qu'une autre technique alternative plus aisément extensible en 3D. Il a été trouvé que ces deux dernières méthodes donnent des résultats très proches. La méthode MOF (moment-of-fluid), qui reconstruit l'interface en utilisant le centre de masse du fluide de référence, est plus précise que les méthodes VOF. Différentes méthodes couplées entre level-set et VOF sont alors étudiées, notamment: CLSVOF, MCLS, VOSET et CLSMOF. Il a été observé que la méthode level-set tend à épaissir les filaments minces, tandis que VOF et les méthodes couplées les fragmentent en petites particules. Finalement, on a couplé les méthodes level-set et VOF avec le solveur incompressible des équations de Navier-Stokes. On a comparé différentes manières de prise en compte des conditions de saut à l'interface (lisse et raide). Il a été montré que les méthodes VOF sont plus robustes, et donnent d'excellents résultats pour quasiment toutes les simulations. Deux méthodes level-set donnant de très bons résultats, comparables à ceux de VOF, sont aussi identifiées. / This thesis is devoted to the development and comparison of interface methods for incompressible two-phase flows. It focuses on the selection of robust interface capturing methods, then on the manner of their coupling with the Navier-stokes solver. The level-set method is first investigated, in particular the influence of the advection scheme and the reinitialization step on the accuracy of the interface capturing. It is shown that the volume constraint method for reinitialization is robust and accurate in combination with the conservative fifth-order WENO schemes for the advection. It is found that interface errors increase drastically when the CFL number is very small. As a remedy, reinitializing the level-set field less often reduces the amount of numerical diffusion and non-physical interface displacement. Mass conservation is, however, not guaranteed with the level-set methods. The volume-of-fluid (VOF) method is then investigated, which naturally conserves the mass of the reference fluid. A geometrical consistent and conservative scheme is adopted, then an alternative technique more easily extended to 3D. It is found that both methods give very similar results. The moment-of-fluid (MOF) method, which reconstructs the interface using the reference fluid centroid, is found to be more accurate than the VOF methods. Different coupled level-set and VOF methods are then investigated, namely: CLSVOF, MCLS, VOSET and CLSMOF. It is observed that the level-set method tends to thicken thin filaments, whereas the VOF and coupled methods break up thin structures in small fluid particles. Finally, we coupled the level-set and volume-of-fluid methods with the incompressible Navier-Stokes solver. We compared different manners (sharp and smoothed) of treating the interface jump conditions. It is shown that the VOF methods are more robust, and provide excellent results for almost all the performed simulations. Two level-set methods are also identified that give very good results, comparable to those obtained with the VOF methods.

Ce travail porte sur la modélisation de la formation et la dispersion d'un nuage de gouttes, par déconfinement d'un liquide: agression extérieure ou situation accidentelle. Le but est la construction d'un modèle apte à reproduire simultanément les conditions génératrices de la formation du nuage et l'évolution de ce nuage dans le temps (dispersion). La principale difficulté réside en la différence des modèles adaptés à la description d'écoulements caractérisant chaque étape du phénomène global : modèle d'écoulement multiphasique à phases compressibles (milieux continus) initialement, puis fragmentation et formation du nuage de gouttes dispersées dans une phase porteuse (modèle d'écoulements dilués). En l'absence de modèle analytique unique apte à décrire l'ensemble de ces processus, on propose une approche originale pour réaliser un couplage effectif entre ces deux modèles. La problématique de formation et de dispersion de liquide implique la prise en compte de plusieurs phénomènes physiques: fragmentation, transferts de chaleur et de masse ainsi que la traînée entre les phases. Ces différents phénomènes sont introduits dans le modèle global via des termes d'interactions présents dans les systèmes d'équations. La construction de ce modèle complet à permis la réalisation de calculs décrivant la formation et la dispersion d'un nuage de gouttes pouvant intervenir lors de situations accidentelles sur des sites industriels par exemple. / This work focuses on modeling the formation and the dispersion of a cloud of droplets, induced by ejection of a liquid, resulting from an external aggression or an accidental situation. The goal is to build a model able to reproduce simultaneously the conditions which generate the cloud formation and the cloud evolution in time (dispersion). The main difficulty lies in the differences between the already existing models adapted to the description of flows which are able to characterize each stage of the global phenomenon: initially a multiphase flow model with compressible phases (Continuum), then the atomization and the formation of a cloud of droplets dispersed in a carrier phase (dilute flow model). We propose a new approach to achieve an effective coupling between these two models. The problem of the formation and the dispersion of the liquid requires to take into account several physical phenomena: atomization, heat and mass transfers and drag between phases. These phenomena are included in the global model through interaction terms involved in the systems of equations. The construction of this model has permited the realization of calculations describing the formation and dispersion of a cloud of droplets which may occur during, for axample, in accidental situations at industrial sites.