Ce travail est une contribution pour mieux comprendre le transport de solutés dans un milieu poreux. Ce phénomène se rencontre dans de nombreux domaines: transport de contaminants dans les eaux souterraines, séquestration du CO2, stockage souterrain des déchets nucléaires, simulations de réservoirs pétroliers. On obtient la dispersion effective de Taylor en tenant compte de la convection, de la diffusion, de la géométrie du milieu poreux et des réactions chimiques. Le but de la théorie d'homogénéisation est, à partir d'équations microscopiques, de dériver un modèle effectif à l'échelle macroscopique. Ici, on applique la méthode de convergence à deux échelles avec dérive pour arriver au comportement effectif. Dans un premier temps, on considère les réactions de type adsorption à la surface des pores. À l'échelle microscopique, le phénomène de transport est modélisé par des équations couplées de type advection-diffusion, une pour la concentration dans le fluide et l'autre pour la concentration à la surface de milieu poreux. Le couplage est fait par les isothermes d'adsorption. Le système microscopique avec des coefficients fortement oscillants est étudié dans un régime de forte convection i.e., dans un régime de grand nombre de Péclet. La présence de forte convection dans le modèle microscopique se traduit par l'apparition d'une large dérive dans les profils de concentrations. On considère à la fois l'isotherme linéaire et l'isotherme non linéaire et les résultats ainsi obtenus sont comparés. Dans la deuxième partie, on généralise nos résultats concernant le transport réactif d'un seul soluté à ceux de plusieurs solutés dans un cadre linéaire. Dans ce cas, les paramètres effectifs sont obtenus en utilisant le principe de Factorisation et la convergence à deux échelles avec dérive. On étudie numériquement le comportement des paramètres effectifs par rapport au nombre de Péclet et au nombre de Damköhler. On utilise Freefem++ pour effectuer des tests numériques en dimension deux.

Une onde sismique se propageant dans un milieu poreux contenant un uide crée un mouvement relatif entre ce uide et la matrice solide. En transportant les ions présents en excès dans la double couche électrique, ce mou- vement relatif crée un courant d'électro ltration. Ce phénomène électrocinétique, survenant à l'échelle microscopique, est à l'origine d'au moins deux types de conversions sismo-électromagnétiques observables à l'échelle macroscopique. D'une part, il donne naissance à des champs électromagnétiques cosismiques accompagnant l'onde sismique perturba- trice. D'autre part, lorsqu'une onde sismique traverse une interface séparant deux milieux de propriétés mécaniques, électriques ou hydrologiques di érentes, elle génère une discontinuité du potentiel de part et d'autre de cette interface, qui agit comme une source électromagnétique dipolaire. Les réponses interfaciales ainsi créées voyagent à des vitesses électromagnétiques et sont observées presque simultanément par tous les récepteurs. Cette thèse s'attache à la com- préhension de ces phénomènes et au développement des méthodes d'imagerie géophysique basées sur les conversions sismoélectromagnétiques. Deux axes de travail sont investigués. Le premier concerne le traitement des données sismoélectromagnétiques et en particulier l'extraction des réponses interfaciales, qui peuvent renseigner sur le sous-sol en profondeur. Nous comparons l'impact de plusieurs méthodes de ltrage sur les amplitudes et les formes d'onde des réponses interfaciales. Nous introduisons également une nouvelle technique de séparation d'ondes en domaine des curvelets, qui s'appuie sur les similarités entre les données sismiques et cosismiques. D'autre part, la théorie de la propagation couplée des ondes sismiques et électromagnétiques est limitée aux milieux poreux saturés. Nous l'étendons ici à des milieux partiellement saturés, pour le cas d'un mélange air/eau, en calculant les propriétés mécaniques e ectives du mélange et en écrivant la conductivité électrique, la permittivité diélectrique et le couplage sismoélectrique en fonction de la saturation en eau. Nous adaptons aux conditions non-saturées un programme de simulation numérique des ondes sismo-électromagnétiques basé sur la méthode de la ré ectivité générale. Mots clés : Géophysique de proche surface - Signaux sismo-électromagnétiques - Milieux poreux - Ondelettes - Séparation d'ondes - Modélisation numérique - Zone non-saturée

Des milieux polyphasiques aux milieux complexes

Les transferts d'humidité dans les matériaux de construction ont une influence importante sur leur durabilité et sur les performances hygriques et thermiques des bâtiments. De nombreux mécanismes d'endommagement chimiques et physiques de ces matériaux sont en effet dus à l'infiltration d'eau. En conséquence, leur structure poreuse peut évoluer au cours du temps, et des fissures microscopiques comme macroscopiques peuvent s'y développer. La description des matériaux à l'échelle microscopique est cependant une source d'erreur importante dans les codes de simulation actuels des transferts d'humidité et de chaleur, notamment en raison du fait que les milieux sont considérés comme homogènes, et que les effets du vieillissement des matériaux sont négligés. Il importe donc de trouver un moyen d'inclure les effets de l'endommagement dans les simulations de transferts d'humidité et de chaleur à l'échelle du bâtiment. Des méthodes existent pour la prédiction du comportement de milieux soumis à des sollicitations hygriques et mécaniques, mais supposent que l'ensemble des facteurs extérieurs influant sur l'endommagement soient connus tout au long des simulations. Une nouvelle méthodologie a été proposée pour compléter ces approches prédictives, en combinant des mesures expérimentales d'endommagement avec la simulation de transferts couplés d'humidité et de chaleur. Une étude préliminaire a d'abord été menée, consistant à mesurer la perméabilité vapeur équivalente d'éprouvettes de mortier multi-fissurées. Cette démarche a permis d'identifier les besoins expérimentaux et numériques de la suite du travail, visant à modéliser les écoulements dans un réseau discret de fissures sur la base de leur caractérisation. Une méthodologie expérimentale combinant corrélation d'images numériques et émissions acoustiques a ensuite été développée, permettant de disposer de cartographies d'endommagement et de proposer une démarche pour la mesure de réseaux de fissures dans les matériaux de construction en place. La méthode optique, associée à une procédure de traitement d'images, a permis de disposer de données précises de la géométrie de réseaux de fissures. De plus, une méthode a été proposée pour permettre l'interprétation des mesures d'émissions acoustiques en termes de quantification, localisation et identification des phénomènes d'endommagement. Un code de simulation a ensuite été écrit, permettant d'intégrer ces mesures de fissuration dans la modélisation des écoulements couplés d'humidité et de chaleur en milieu poreux. Ce modèle a été validé sur la base de mesures expérimentales : la corrélation d'images numériques a été appliquée durant la fracturation d'éprouvettes de béton, dans lesquelles l'infiltration d'eau a ensuite été suivie par radiographie aux rayons X. Les résultats numériques obtenus sont en bonne conformité avec les mesures expérimentales en termes de prédiction de la concentration d'eau en deux dimensions. Enfin, la méthodologie a été appliquée à une série de cas test, dans le but de modéliser les performances hygrothermiques de parois multi-couches, incluant des matériaux endommagés, soumises à des conditions climatiques réelles. On a ainsi pu estimer les conséquences potentielles de l'endommagement sur l'accumulation d'eau dans des parois, sur l'amplitude des cycles de sorption et de séchage, ainsi que sur les transferts thermiques.

Nos travaux concernent l'homogénéisation du transfert de chaleur dans un milieu poreux périodique qui modélise la géométrie d'un cœur de réacteur nucléaire à caloporteur gaz. Cette géométrie est constituée d'un milieu solide traversé par plusieurs longs et minces cylindres parallèles dont le diamètre est du même ordre que la période. La chaleur est transportée par conduction dans la partie solide du domaine et par conduction, convection et rayonnement dans la partie fluide (les cylindres). Le rayonnement est modélisé par une condition non-locale sur les parois des cylindres. C'est une analyse stationnaire qui correspond à un fonctionnement nominal du cœur, et aussi non-stationnaire qui correspond à un arrêt nor- mal du cœur. Pour obtenir le problème homogénéisé nous utilisons d'abord une analyse formelle par développement asymptotique à deux échelles. La justification mathématique de nos résultats est basée sur la méthode de convergence à deux échelles. Une caractéristique de ce travail en dimension 3 est qu'il combine l'analyse asymptotique par homogénéisation avec une analyse asymptotique par réduction de la dimension de l'espace 3D en 2D pour remédier à la non-périodicité de la condition de rayonnement suivant la direction axiale des cylindres. Une deuxième caractéristique de ce travail est l'étude de ce transfert de chaleur lorsqu'il contient une source thermique oscillante au niveau microscopique et un échange thermique entre les parties fluide et solide du cœur, dans un tel contexte, notre analyse numérique montre une contribution non-négligeable du correcteur dit d'ordre 2 qui nous aide à reproduire les gradients qui apparaissent entre la zone de la source thermique et la partie fluide (les cylindres).

Afin de mieux comprendre les spécificités de l'écoulement des fluides en seuil en géométries confinées, nous avons opté pour une approche multi-échelle expérimentale et/ou numérique dans des milieux poreux complexes et modèles. Nous montrons qu'il est possible d'utiliser la RMN pour visualiser des écoulements de fluides à seuil en géométrie complexe. Dans un milieu poreux, il est également possible de mesurer la distribution statistique des vitesses, ceci sans problème de résolution spatiale, grâce à la méthodologie de réglage d'une expérience d'injection sous IRM que nous avons mise en place. A l'aide de ces techniques, nous montrons que l'écoulement d'un fluide à seuil dans un pore modèle (une expansion-contraction axisymétrique) se localise dans la partie centrale du pore, dans le prolongement du tube d'entrée, tandis que les régions extérieures restent dans le régime solide. Des simulations numériques confirment ces résultats et montrent que la localisation de l'écoulement provient du confinement engendré par la géométrie. A l'inverse, nous montrons que pour un fluide à seuil s'écoulant dans un milieu poreux réel (en trois dimensions), il n'existe pas de zones au repos. De plus, la distribution de vitesse est identique à celle d'un fluide newtonien. Une analyse de ces résultats nous permet de prédire la forme de la loi de Darcy pour les fluides à seuil et de comprendre l'origine physique des paramètres déterminés par des expériences d'injection " macroscopiques "

L'objectif de cette thèse est de fournir des modèles et des outils de simulation pour décrire les échanges de masse entre les circuits de ventilation (galeries) et les milieux poreux des ouvrages souterrains d'enfouissement des déchets nucléaires. La modélisation prend en compte le couplage à l'interface poreux-galerie entre les écoulements liquide gaz compositionnels dans le milieu poreux constituant le stockage et les écoulements gazeux compositionnels dans le milieu galerie libre. / The objective of this thesis is to develop models and algorithms to simulate efficiently the mass exchanges occurring at the interface between the nuclear waste deep geological repositories and the ventilation excavated galleries. To model such physical processes, one needs to account in the porous medium for the flow of the liquid and gas phases including the vaporization of the water component in the gas phase and the dissolution of the gaseous components in the liquid phase. In the free flow region, a single phase gas free flow is considered assuming that the liquid phase is instantaneously vaporized at the interface. This gas free flow has to be compositional to account for the change of the relative humidity in the free flow region which has a strong feedback on the liquid flow rate at the interface.

Ce travail a pour objectif de développer et d’appliquer une méthode originale permettant de simuler l’écoulement dans un milieu poreux fracturé. Cette méthode repose sur une approche multicouches double continuum permettant de séparer le comportement des différents aquifères présents sur un site. La résolution des écoulements, basée sur la méthode des Eléments Finis de Crouzeix-Raviart, est associée à une méthode inverse (minimisation de type Quasi-Newton combinée à la méthode de l’état adjoint) et à une paramétrisation multi-échelle.La méthode est appliquée dans un premier temps sur l’aquifère fracturé du site expérimental de Poitiers. Les résultats montrent une bonne restitution du comportement de l’aquifère et aboutissent à des champs de transmissivité plus réguliers par rapport à ceux de l’approche simple continuum. L’application finale est réalisée sur le site de Cadarache (taille plus importante et données d’entrée moins denses). Le calage des deux aquifères présents sur le site est satisfaisant et montre que ceux-ci se comportent globalement de façon indépendante. Ce calage pourra être amélioré localement grâce à données de recharge plus fines. / The aim of this study is to develop and validate a new method for the simulation of flow in fractured porous media. This method is based on a multi-layered and dual continuum approach allowing to discriminate the behavior of different aquifers present on a site. The flow equations are solved using a Crouzeix-Raviart Finite Element method, in association with an inverse method (Quasi-Newton minimization combined with the adjoint state method) and a multi-scale parameterization.The method is first applied and validated on the fractured aquifer of the Hydrogeological Experimental Site of Poitiers. The results closely reproduce the flow behavior of the aquifer and lead to a transmissivity field much more homogeneous than the one obtained with a simple continuum approach. The final application is performed on the site of Cadarache (large scale problem with heterogeneously distributed input data). The model calibration of both aquifers is rather satisfactory and shows that their behavior is globally independent. It could locally be improved if more accurate groundwater recharge data is made available.

Cette thèse vise à étudier expérimentalement, analytiquement et numériquement, les conséquences de variations et d'oscillations hydrodynamiques à forte variabilité temporelle en milieux poreux partiellement saturés. Les problèmes que nous étudions comportent des surfaces libres tant à l'extérieur qu'à l'intérieur des milieux poreux, celles-ci étant définies comme des isosurfaces de pression d'eau égale à la pression atmosphérique (Pwater = Patm). Les différentes études expérimentales réalisées en laboratoire sont, respectivement : une expérience d'imbibition dans une boite à sable avec effets capillaires importants; la transmission d'oscillations de la surface libre à travers un massif sableux intercalaire dans un petit canal à houle (IMFT, Toulouse); l'étude de la dynamique et de la propagation des oscillations des niveaux d'eau dans un grand canal à houle (HYDRALAB, Barcelone), partiellement recouvert d'un fond sableux incliné, avec mesures de niveaux d'eau en pleine eau et sous le sable, et mesures du fond sableux (érosion/dépôts). Pour les études théoriques, nous avons développés des solutions analytiques linéarisées. Un exemple de problème traité analytiquement est: l'équation linéarisée de Dupuit-Boussinesq (D-B) transitoire à surface libre, en hypothèse d'écoulements plans et vidange/remplissage instantané : oscillations forcées, transmission et dissipation d'ondes à travers une boite à sable rectangulaire. Nous avons aussi développé une solution de l'équation faiblement non linéaire de Dupuit- Boussinesq (D-B) pour étudier le problème d'imbibition avec variation abrupte du niveau d'eau amont (suivi temporel du front de saturation). Nous avons pu étudier les différents types de problèmes transitoires liés aux expériences citées plus haut par simulation numérique. En particulier, nous avons simulé des écoulements partiellement saturés et insaturés, en coupe verticale, à l'aide d'un code de calcul (BIGFLOW 3D) qui résoud l'équation de Richards généralisée en régime transitoire. Nous avons ainsi étudié numériquement en régime non saturé, l'expérience d'imbibition dans un sable initialement sec à frontières verticales (IMFT sandbox), puis l'expérience de propagation d'ondes dans le grand canal à houle de Barcelone (laboratoire HYDRALAB) comportant une plage de sable inclinée, avec un couplage complètement intégré entre les zones micro-poreuse (sable) et “macro-poreuse” (pleine eau). Pour analyser les résultats de cette dernière expérience et les comparer aux simulations, nous avons utilisé plusieurs méthodes de traitement et d'analyse des signaux : analyse de Fourier (spectres de fréquences) ; ondelettes discrètes multi-résolution (Daubechies) ; analyses corrélatoires simple et croisée. Ces méthodes sont combinées avec des méthodes de préfiltrage pour estimer dérives et résidus (moyennes mobiles ; ondelettes multi-résolution). Cette analyse des signaux a permis de comprendre et quantifier la propagation à travers une plage de sable. Au total, les différentes approches de modélisation mis en oeuvre, associé à des procédures de calage en situation de couplage transitoire non linéaire ont permis de reproduire globalement les phénomènes de propagation de teneur en eau et de niveau d'eau dans les différentes configurations étudiées. / This thesis aims at investigating experimentally, analytically and numerically, the consequences of hydrodynamic variations and oscillations with high temporal variability in partially saturated porous media. The problems investigated in this work involve “free surfaces” both outside and inside the porous media, the free surface being defined as the “atmospheric” water pressure isosurface (Pwater = Patm). The laboratory experiments studied in this work are, respectively: Lateral imbibition in a dry sand box with significant capillary effects; Transmission of oscillations of the free surface through a vertical sand box placed in a small wave canal (IMFT, Toulouse); Dynamics of free surface oscillations and wave propagation in a large wave canal (HYDRALAB, Barcelona), partially covered with sand, with measurements of both open water and groundwater levels, and of sand topography (erosion / deposition). For theoretical studies, we have developed linearized analytical solutions. Here is a sample problem that was treated analytically in this work: The linearized equation of Dupuit-Boussinesq (DB) for transient free surface flow, assuming horizontal flow and instantaneous wetting/drainage of the unsaturated zone: forced oscillations, wave transmission and dissipation through a rectangular sandbox. We also developed a weakly nonlinear solution of the Dupuit-Boussinesq equation to study the sudden imbibition (temporal monitoring of the wetting front). We have studied the different types of transient flow problems related to the experiments cited above by numerical simulation. In particular, we have simulated unsaturated or partially saturated transient flows in vertical cross-section, using a computer code (BIGFLOW 3D) which solves a generalized version of Richards’ equation. Thus, using the Richards / BIGFLOW 3D model, we have studied numerically the experiment of unsaturated imbibition in a dry sand (IMFT sandbox), and then, with the same model, we have also studied the partially saturated wave propagation experiment in the large Barcelona wave canal (HYDRALAB laboratory), focusing on the sloping sandy beach, with coupling between the micro-porous zone (sand) and the “macro-porous” zone (open water). To interpret the results of the latter experiment and compare them to simulations, we use several methods of signal analyzis and signal processing, such as: Fourier analysis, discrete multi-resolution wavelets (Daubechies), auto and cross-correlation functions. These methods are combined with pre-filtering methods to estimate trends and residuals (moving averages; discrete wavelet analyses). This signal analyzis has allowed us to interpret and quantify water propagation phenomena through a sandy beach. To sum up, different modeling approaches, combined with model calibration procedures, were applied to transient nonlinear coupled flow problems. These approaches have allowed us to reproduce globally the water content distributions and water level propagation in the different configurations studied in this work.