L'objectif industriel de cette thèse est de proposer un modèle de transfert radiatif dans un réacteur de reformage de méthane. Dans ce procédé, des gaz réactifs circulent dans le réacteur tubulaire rempli de pastilles catalytiques.L'empilement de pastilles constitue un milieu poreux où le rapport de la taille caractéristique des pores sur la dimension radiale du réacteur est grand (1=10 à 1=5). De plus, les très forts gradients de porosité dus à l'organisation des pastilles au voisinage des parois ont un impact important sur les transferts thermiques et en particulier les transferts radiatifs.L'objectif scientifique est de développer et valider un modèle de transfert radiatif applicable à des milieux poreux fortement hétérogènes et anisotropes ne suivant pas la loi de Beer. Dans un premier temps, les propriétés radiatives du milieu homogénéisé équivalent au milieu poreux réel sont complètement déterminées par la fonction de distribution cumulée d'extinction Gext, la fonction de phase p et la porosité Π. Ces fonctions, précédemment introduites pour des milieux homogènes éventuellement anisotropes, sont calculées avec une grande précision par une méthode de Monte Carlo. Elles ont été généralisées ici à des milieux hétérogènes. Il a été montré à partir d'un nouveau critère de validité adapté aux milieux hétérogènes que le milieu homogénéisé équivalent ne suit pas la loi de Beer, en particulier au voisinage des parois.De ce fait, l'équation de transfert radiatif généralisée (GRTE) doit prendre en compte l'émission par un milieu non Beerien fortement hétérogène même à la limite optiquement mince : un coefficient d'absorption n'y a pas de sens physique et des corrélations entre émission et transmission apparaissent dues au caractère non Beerien. Le principe de réciprocité et les propriétés des fonctions d'extinction Gext ont permis d'exprimer rigoureusement les termes sources d'émission dans ce type de milieux fortement hétérogènes non Beeriens. Un facteur de corrélation émission-transmission a été introduit. La GRTE, sous forme intégrale, a été résolue par une méthode de transfert de Monte Carlo. Le modèle complet a été appliqué après validation aux réacteurs de reformage de méthane de Air Liquide. / The industrial goal of this work is to propose a radiative transfer model in a tubular reactor of steam methane reforming. During the reforming process, reactive gases are injected in the tubular reactor filled with catalytic pellets. The packed bed of pellets forms a porous medium, and a particular feature of it is that the characteristic pore size is large compared to the reactor inner dimension. In addition, the organization of the pellets in the near-wall region results in important porosity gradients which have a significant effect on the heat transfer, and more specifically on the radiative transfer.The scientific goal is to develop and validate a radiative transfer model applicable to strongly nonhomogeneous, anisotropic and non Beerian porous media.First, the radiative properties of the homogenised phase equivalent to the real porous medium are completely determined by the cumulated distribution function of extinction Gext, the phase function p, and the local porosity Π. These functions, previously introduced for statistically homogeneous and anisotropic porous media, are calculated very accurately by a Monte Carlo method. They have been extended to statistically non-homogeneous porous media. Similarly, the expression of the validity criterion of the Beer law is extended to statistically anisotropic and non-homogeneous porous media : it is proven that for the considered porous media the Beer law is not valid in the homogenised phase, in particular in the vicinity of the walls. As a result, the Generalized Radiative Transfer Equation (GRTE) is needed and the emission source terms must be determined in a strongly nonhomogeneous non Beerian even at the optically thin limit : an absorption coefficient doesn't have any physical meaning and correlations between emission and transmission appear due to the non-Beerian behavior.The reciprocity principle and the properties of the extinction functions Gext allow the emission source terms in this kind of strongly non-homogeneous and non-Beerian media to be accurately determined. A correlation factor emission-transmission has been introduced. The GRTE has been solved by a Monte Carlo method.The complete model is applied, after validation, to the steam methane reformers in use by Air Liquide.

Dans cette thèse, le problème de l'infiltration de bio-adhésifs résineux dans la dentine a été abordé par le biais de deux études, expérimentale et numérique. L'originalité de ces travaux réside dans le fait que l'échelle à laquelle nous nous sommes placés est nanoscopique. En effet, c'est l'infiltration d'un réseau de fibres de collagène de diamètre de l'ordre de 80nm qui pilote l'adhésion des composites résineux à la dentine. Une étude MEB a été menée pour confirmer et compléter la connaissance actuelle du milieu poreux. Cependant un paramètre manque dans la perspective d'une modélisation géométrique du réseau : la porosité n'est pas connue. Une étude complémentaire du substrat par porosimétrie à intrusion de mercure a donc été menée. La porosité volumique de la dentine déminéralisée est estimée à 55%. Deux tailles de pores sont révélées : la première correspond aux tubules et canalicules (autour de 1micron) et la seconde aux espaces interfibrillaires (autour de 50nm) jamais encore caractérisés de manière volumique. Cette étude permet aussi une investigation méthodologique. La lyophilisation, technique de séchage peu utilisée en odontologie, est évaluée et comparée à la technique de séchage utilisant l'HMDS. La lyophilisation semble être une technique de séchage fiable et convient parfaitement aux essais de porosimétrie. La modélisation géométrique du réseau fibreux est ensuite réalisée : les fibres sont considérées comme des zones à viscosité élevée. Cette modélisation est validée par comparaison des écoulements entre une fibre modélisée implicitement et une autre modélisée plus classiquement. L'orientation des fibres n'étant pas connue quantitativement, il a été choisi de construire trois types de réseau, le plus proche de la réalité (à la vue des images MEB) étant le réseau où les fibres sont disposées aléatoirement. Sa perméabilité a été estimée et validée par comparaison avec différentes études de réseaux fibreux ou non. Enfin, l'avancée du front est abordée de manière dynamique. Les équations d'avancée du front sont mises en place. Les équations de Navier Stokes sont couplées avec une méthode level set : l'interface correspondant au front d'infiltration n'est pas maillé (tout comme les fibres) mais correspond à une isovaleur d'une certaine fonction. Un attention particulière est portée aux conditions aux limites au niveau de la ligne triple et par le biais d'un terme ajouté à la formulation variationnelle, l'angle de contact est fixé. Ici, la principale difficulté est la prise ne compte des fibres qui ont été définies de manière implicite. Cette fois, les fibres sont uniquement le lieu de l'application de la condition aux limites fixant l'angle de contact et ne sont plus des zones de viscosité élevée car cela bloquerait le front. Le problème est résolu pour différentes géométries de réseaux fibreux. Tout d'abord, l'influence de certains paramètres sur des réseaux simples est sondée puis l'infiltration du modèle géométrique complet (réseau fibreux et tubules) est réalisée. Une conclusion cruciale pour les praticiens est mis en avant : augmenter le temps d'infiltration de la résine n'améliore pas l'infiltration. La simulation d'un essai de porosimétrie permet de distinguer deux tailles de pores distinctes et nécessite un ajustement car un décalage en pression par rapport à la courbe expérimentale est observée. L'outil construit permet une approche pédagogique de l'essai de porosimétrie et, après ajustement, pourra permettre la validation de diverses géométries. / In dentin restoration, collagen fiber network infiltration is an issue. In this thesis, an experimental study is lead prior to numerical modelling. Demineralized dentin porosity is a key parameter in dentin bonding that will in?uence the hybrid layer quality. Its characterization could be helpful to improve the monomers in?ltration. So, the objectives of the experimental study were to assess demineralized dentin porosity and quantify the different porous features distribution within the material using mercury intrusion porosimetry (MIP) technique. We compared hexamethyldisilazane (HMDS) drying and lyophilization (LYO) (freeze-drying) in sample preparation. The results showed two types of pores corresponding either to tubules and microbranches or to inter-?brillar spaces created by demineralization. Global porosity varied from 59% (HMDS-dried samples) to 70% (freeze-dried samples). Lyophilization drying technique seems to lead to less shrinkage than HMDS drying. FESEM revealed that collagen ?bers of demineralized lyophilized samples are less melted together than in the HMDS-dried samples. Using our experimental data , we have constructed a relevant numerical geometrical model of the network. The specificity of our model is that the fibers are taken into account implicitly using a regularized Heaviside function. This function is either used to set the viscosity or to localize the contact line where capillary forces are applied. A level set technique with respect to fluid infiltration front tracking in five fiber networks using the level set method and Navier-Stokes equations with capillary terms is used to point out efficient critical infiltration parameters. A variational formulation which can be implemented in FEM is proposed both for the infiltration front and the contact line. Because of lack of knowledge on fiber orientation, different configurations were tested through permeability assessment of the whole network. Fiber orientation, interfibrillar space and contact angle influence were investigated. Then a network representing the dentinal porous substrate is infiltrated by a wetting fluid and we came to a useful conclusion : increasing infiltration time will not improve the quality of the bonding. In order to link the numerical and experimental studies, infiltration curves of mercury into the porous network are compared. We used a non-wetting fluid (mercury) to invade the numerical porous network to model the porosimetry test. As mercury do not invade the porous network naturally, an incremental pressure is applied to force it to penetrate the porous medium. The simulation is qualitatively satisfying and enables to point out the porosimetry test limitations in a pedagogical way. Thanks to the simulation, we can see the mercury invading pore spaces: big pores are penetrated first and then small pores (which obviously cannot be seen during the experimental process). Quantitatively, two sizes of pore are detected and their contributions to total porosity are satisfying. Nevertheless, the pore size values have to be ajusted. To conclude, this thesis contributed to the characterization of demineralized dentin. The numerical modeling allows us to point out influencing parameters during capillary infiltration of a fibrous network and to illustrate the porosimetry test process an its limitations. An interesting tool to confirm a geometrical model has been built. The tools that have been built can easily been used to other porous structures.

Dans cette thèse, deux problèmes complètement indépendants sont étudiés. Le premier sujet porte sur l'analyse mathématique d'un modèle simple de délamination de films minces et d'apparition de cloques. Le second sujet est une étude fine de l'équation des milieux poreux motivée par des problèmes d'intrusion saline. Dans le premier sujet de ce travail, nous considérons un modèle variationnel simple unidimensionnel décrivant la délamination de films minces sous l'effet d'un refroidissement. Nous caractérisons les minimiseurs globaux qui correspondent à trois types de films: non-délaminés, partiellement délaminés (appelés cloques) ou bien complètement délaminés. Deux paramètres jouent un rôle crucial dans un tel phénomène : la longueur du film et la température. Dans le plan de phase de ces deux derniers, nous classifions l'ensemble des minimiseurs. Comme conséquence de notre analyse, nous identifions explicitement les cloques les plus petites pour ce modèle. Dans le deuxième sujet, nous répondons d'abord à une question ouverte depuis longtemps concernant l'existence de nouvelles contractions pour l'équation de type milieux poreux. Pour m>0, nous nous sommes intéressés à des solutions positives de l'équation suivanteU_t=Delta U^m. Pour 0<m<2, nous présentons une nouvelle famille de contractions pour cette équation en toute dimension, ce qui induit une extension des propriétés de la contraction L^1. Notre contraction peut être considérée comme étant la quatrième contraction connue pour cette équation. Même pour le cas m=1, notre approche aboutit à des nouveaux résultats pour l'équation de la chaleur standard. Dans un second temps, nous avons traité le même problème mais en utilisant une approche différentielle différente basée sur les distances géodésiques. Cette approche originale et générale sert à fabriquer des familles de contractions pour des équations aux dérivées parielles non linéaires, d'évolutions ou stationnaires. Nous présentons dans ce cadre diverses applications. En particulier, nous traitons à nouveau l'équation des milieux poreux et l'équation doublement non linéaire / In this thesis, we study two completely independent problems. The first one focuses on a simple mathematical model of thin films delamination and blistering analysis. In the second one, we are interested in the study of the porous medium equation motivated by seawater intrusion problems. In the first part of this work, we consider a simple one-dimensional variational model, describing the delamination of thin films under cooling. We characterize the global minimizers, which correspond to films of three possible types : non delaminated, partially delaminated (called blisters), or fully delaminated. Two parameters play an important role : the length of the film and the cooling parameter. In the phase plane of those two parameters, we classify all the minimizers. As a consequence of our analysis, we identify explicitly the smallest possible blisters for this model. In the second part, we answer a long standing open question about the existence of new contractions for porous medium type equations. For m>0, we consider nonnegative solutions U(t,x) of the following equationU_t=Delta U^m.For 0<m<2, we present a new family of contractions for this equation in any dimension, which extends the L^1 contraction properties. Our contraction can be seen as the fourth known contraction for this equation. Even for the case m=1, our approach leads to new results for the standard heat equation. A second work focuses on the same problem but using a differential approach based on geodesic distances. This original and general method is used to produce families of contractions for nonlinear partial differential equations, of evolution or stationary type. We present in this part various applications of this original method. In particular, we are concerned with the porous medium and the doubly nonlinear equations

Un large spectre d’applications en ingénierie est concerné par les écoulements de fluides en interaction avec des structures poreuses, allant de problèmes à petite échelle jusqu’à des problématiques de plus grande échelle. Ces structures poreuses, souvent à géométries complexes, peuvent se déplacer ou se déformer en réponse au forçage exercé par l’écoulement environnant.Le but de ce travail est de proposer un modèle numérique pour la simulation macroscopique d’écoulements de fluide interagissant avec des milieux poreux mobiles à géométries complexes, qui soit facile d’implémentation et pouvant être utilisé dans une large gamme d’applications. Pour atteindre cet objectif, la méthode de Lattice Boltzmann est utilisée pour résoudre l’écoulement dans des milieux poreux à l’échelle d’un volume représentatif élémentaire. Pour l’implémentation du mouvement désiré, le concept de frontières immergées est adopté. Dans ce contexte, un nouveau modèle est proposé pour traiter des milieux poreux en volume, dont la résistance à l’écoulement environnant est modélisé par la loi de Brinkman-Forchheimer-Darcy étendue.L’algorithme est d’abord testé sur l’écoulement à travers un cylindre fixe. La simplicité de ce cas test académique permet de caractériser finement la précision de la méthode. Le modèle est ensuite utilisé pour simuler des écoulements de fluide autour et à travers des corps poreux mobiles, à la fois pour des géométries confinées et pour des écoulements ouverts. L’invariance Galiléenne des équations moyennées macroscopiques gouvernant la dynamique du fluide est démontrée. D’excellents accords avec les résultats de référence sont obtenus pour les différents cas testés. / A wide spectrum of engineering problems is concerned with fluid flows in interaction with porous structures, ranging from small length-scale problems to large ones. These structures, often of complex geometry, may move/deform in response to the forces exerted by the surrounding flow. Despite the advancements in computational fluid dynamics, the numerical simulation of such configurations - a valuable tool for the study of the flow physics involved - remains a challenging task.The aim of the present work is to propose a numerical model for the macroscopic simulation of fluid flows interacting with moving porous media of complex geometry, that is easy to implement and can be used in a range of applications. To achieve this, the Lattice Boltzmann method is employed for solving the flow in porous media at the representative elementary volume scale. For the implementation of the desired body motion, the concept of the Immersed Boundary method is adopted. In this context, a novel model is proposed for dealing with moving volumetric porous media, whose resistance to the surrounding flow obeys the Brinkman-Forchheimer-extended Darcy law. The algorithm is initially tested for flow past a static cylinder. The simplicity of this academic test case allows us to assess in detail the accuracy of the proposed method. The model is later used to simulate fluid flows around and through moving porous bodies, both in a confined geometry and in open space. We are able to demonstrate the Galilean invariance of the macroscopic volume-averaged flow governing equations. Excellent agreement with reference results is obtained in all cases.

Nous étudions le drainage des mousses de suspension granulaire. Nos paramètres de contrôle sont : la fraction en gaz, la taille des bulles, celle des particules et la fraction volumique de celles-ci dans la phase interstitielle. En premier lieu, nous mesurons la proportion de liquide et de particules retenus dans le réseau de la mousse en fonction des paramètres cités précédemment. Ces mesures réalisées une fois le drainage terminé apportent des éléments de compréhension indispensables à la description des vitesses de drainage. Nous montrons également que certaines combinaisons de nos paramètres d'étude conduisent au blocage du système gaz, liquide, solide. Dans un second temps, nous avons identifié différents régimes de cinétique de drainage, nous montrons qu'ils sont contrôlés par deux paramètres : (i) le rapport lambda de la taille des particules et de la taille des constrictions du réseau, (ii) la fraction en particules dans la phase interstitielle phi. Le point clé pour comprendre ces régimes est le piégeage des particules dans la mousse qui peut avoir deux origines : (i) par piégeage collectif (jamming) qui peut survenir pour des fractions étonnamment basses à cause de la géométrie du réseau interstitiel, (ii) la capture individuelle des particules par la mousse lorsque leur taille devient supérieure à celle des constrictions du réseau interstitiel. Des particules encore plus grosses sont exclues du réseau et participent à une remontée de la vitesse de drainage, faisant apparaître un minimum pour le régime correspondant à la capture individuelle. La fraction granulaire de la phase interstitielle est aussi essentielle, le drainage pouvant être stoppé pour des fractions suffisamment élevées lorsque lambda est judicieusement choisi. Ce travail propose des pistes prometteuses pour la stabilité des matériaux triphasiques / We study the drainage of granular suspensions foams. Our control parameters are the gas fraction, the bubble size, the particles size and the interstitial particle fraction. First, we measure the proportion of liquid and particles retained in the foam network as function of the above mentioned parameters. These measurements are performed when the drainage is over, they are essential for the description of drainage velocity. We show that certain combinations of our study parameters lead to the jamming of the three-phase system : gas, liquid, solid. Secondly, we highlight different regimes of drainage velocity, we show that is controlled by two parameters : (i) lambda, the ratio of the particle size and constriction size, (ii) the fraction of particles in the interstitial network : phi. The key to understand these regimes is the trapping of particles in the foam : (i) the jamming, which may occur for surprisingly low fractions due to the geometry of the pore network, (ii) the particles captured by the foam network when they become larger than the constrictions network. Finally, larger particles excluded from the network increase the drainage velocity, as a consequence the minimum for the velocity corresponds to the individual capture. The granular fraction of the suspension in the foam network is the other key parameter. Especially, the drainage can be stopped for sufficiently high fractions for certain values of lambda. This work offers promising outlook for the stability of three-phase materials

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.

La pollution des sols par les solvants chlorés constitue un problème environnemental majeur avec des conséquences importantes sur la pollution des eaux, et donc, sur l'utilisation de cette ressource essentielle. Parmi les procédés de traitement, l'oxydation in situ apparaît comme une alternative viable, de grand intérêt, en ce qui concerne le traitement des polluants en phase organique (DNAPL). L'objectif principal de ce travail a été d'analyser les limitations cinétiques contrôlant l'oxydation du percloroethylène (PCE) en phase DNAPL avec des solutions de KMnO4, et cela dans des conditions diverses d'opération : concentration d'oxydant, aire interfaciale, mode de contact et phases en contact, principalement. Au préalable à cette étude, des méthodes analytiques ont été développées, notamment pour l'analyse du PCE en phase aqueuse. Dans un système homogène à température constante et en phase aqueuse la vitesse de la réaction a été mesurée et une loi cinétique a été proposée, valable dans une gamme étendue des compositions. Puis la réaction a été étudiée en système polyphasique, L/L (réacteur agité) et S/L/L (milieu poreux). La démarche consistait à déterminer dans des expériences sans oxydant (dites de dissolution) le coefficient de transfert de matière caractéristique du système, puis de l'appliquer au calcul du nombre de Hatta. Ce critère adimensionnel apporte des informations sur la localisation de la réaction, et donc sur la vitesse relative des phénomènes de transfert et réaction en série. Dans les conditions expérimentales étudiées plusieurs régimes de fonctionnement, caractérisés par des valeurs du critère de Hatta allant de 0,03 à 3,6 ont été observés. Par conséquent, le processus d'oxydation peut être contrôlé soit par le transfert soit par la réaction, et cela que l'on soit en réacteur agité qu'en milieu poreux. / The pollution of soils with chlorinated solvents is a major environmental problem with important consequences for the water contamination, hence for the utilisation of this essential resource. Among the treatment processes, in situ chemical oxidation appears as a viable alternative, of great interest for the treatment of dense non aqueous phase liquids (DNAPL). The aim of this work was to analyse the kinetic limitations controlling perchloroethylene (PCE) oxidation in dense non aqueous phase liquid with permanganate (KMnO4) solutions and that in diverse operational conditions: oxidant concentration, interfacial area, contact mode and contact phases, mainly. First, analytical methods were developed, especially for PCE analyse in aqueous phase. In a homogeneous system, at constant temperature and in aqueous phase, the real reaction rate was measured and a kinetic low was proposed, applicable to a large range of compositions. Then, the reaction was studied in a multiphase system, L/L (batch reactor) and S/L/L (porous media). The procedure consisted in establishing the mass transfer coefficient of the system in experiments without oxidant (so-called of dissolution), then applying it to the identification of Hatta number. This dimensionless criterion brings us information about the reaction location and consequently, about the relative rate of the global process. In the studied experimental conditions, several operational regimes, characterised by Hatta values in a range from 0.03 to 3.6, were observed. Therefore, the oxidation process can be controlled either by transfer or by reaction and that even in batch reactor and in porous media

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.

Une des solutions visant à atténuer le changement climatique est le stockage géologique de CO2 dans des aquifères salins ou des réservoirs de pétrole - ou de gaz - en fin de vie. L'étanchéité des puits d'injection de CO2 doit cependant être garantie pour des durées séculaires. En théorie, le ciment coulé après le forage du puits entre le cuvelage en acier et la formation rocheuse a pour vocation de rétablir l'étanchéité naturelle entre les différentes couches géologiques traversées par le puits. Une fois pris, le ciment constitue une interface de quelques centimètres d'épaisseur entre la roche et le cuvelage. Cette interface cimentaire apparaît comme le point le plus critique vis-à-vis de l’étanchéité et du confinement CO2. En effet, le CO2 injecté étant sec et sous pression, la zone « proche puits » au niveau du point d'injection va s'assécher progressivement et s'étendre vers le toit du réservoir au fur et à mesure que le CO2 est injecté. L’interface se retrouve alors soumise à de fortes sollicitations hydriques induisant un séchage et de fortes contraintes mécaniques (réservoir de CO2). On s'attend donc à ce que ces contraintes engendrées par les incompatibilités de déformation entre les différents matériaux et les pressions d'injection soient par conséquent à l'origine d'une fissuration le long de l'interface et dans la zone proche puits. Dans ce contexte, nous nous intéressons à la manière dont le formalisme de la poromécanique doit être étendu en utilisant une approche énergétique de la mécanique de la rupture pour décrire ces phénomènes induit par l'injection de fluide sous pression dans un milieu poreux confiné. L’idée originale de cette démarche est de pouvoir décrire des écoulements couplés dans un milieu poreux élastique déformable et endommageable induits par une action combinée des gradients hydrauliques et de pressions imposés simultanément. Ce modèle devrait permettre une bonne compréhension, ainsi qu'une analyse théorique, de la physique mise en jeu dans ces processus complexes de transport pouvant provoquer la dégradation d’une structure. L’implémentation numérique s'appuie sur une discrétisation éléments finis standard et sur l’adaptation d’un modèle d'eigenerosion pour simuler l’apparition de fissures. / Underground carbon dioxyde (CO2) storage operation in deep geological formation like saline aquifers or gas reservoirs is considered to be a prospective solution to reduce the emission of greenhouse gases into the atmosphere. However CO2 sealing injection has to be assured for centuries. Once setting, the cement is a few centimeters thickness interface between the rock and the casing. This cementeous interface appears as the most critical point for the sealing and containment of CO2. A continuous stream of CO2 being injected into reservoir rock formation will cause in a region around the injection water desaturation and drying shrinkage of the reservoir and the cement paste and potentially hydraulic fracture. Therefore, the moisture balance with the CO2 reservoir induces water desaturation and drying shrinkage. Some local stresses are then expected because of the strain incompatibility between the cement and the steel casing and the high pressures levels. These stresses may result in a cracking process along the interface and in a secondary cracks network. In this context, we investigate how the poromechanical theory should be extended using a energy approach framework to describe the fracture mechanic induced by the fluid injection in a porous medium. The original idea of this approach consists in deriving the poro-mechanical equations introducing explicitly the multiphase flow. This model, aims at describing coupled flows in a damageable elastic porous medium, due to the combined influence of hydraulic and pressure gradients simultaneously imposed. The numerical implementation is based on a standard finite element discretization and adaptation of a eigenerosion model to simulate cracking.

Approche micromécanique est utilisée pour étudier le transport et la congélation dans les milieux poreux non saturés. Dans les milieux poreux non saturés, film d'eau ainsi que la pression de disjonction sont introduits dans le transport et les problèmes de gel. Dans la modélisation, il est constaté que, couche capillaire avec l'eau interstitielle dominent le transport au degré de saturation élevé (Sr> 10%). Cependant, le film d'eau jouera un rôle important dans le transport à degré de saturation basse (Sr <10%), et le coefficient de diffusion sera faible que 3 à 4 ordres de grandeur à celle à degré de saturation élevé. Un modèle micromécanique de gel dans les milieux poreux non saturés est établi. Modèle micromécanique de congélation est plus physique basée dans la nature. En effet, différent du modèle poromécanique du milieu de congélation, dans lequel la pression de cristaux de glace est introduit, la pression de disjonction du film d'eau non gelée à la place de la pression de cristaux de glace est introduite dans le modèle micromécanique de congélation / Micromechanical approach is employed to investigate the transport and freezing within unsaturated porous media. In unsaturated porous media, water film as well as disjoining pressure are introduced in the transport and freezing problems. In the modeling, it is found that, capillary layer along with pore water dominate the transport at high saturation degree (Sr>10%). However, water film will play a significant role in transport at low saturation degree (Sr<10%), and the diffusion coefficient will be lower than 3 to 4 orders of magnitude than that at higher saturation degree. A micromechanical model of freezing in unsaturated porous media is established. Micromechanical model of freezing is more physical based in nature. That is because different from poromechanical model of freezing media in which ice crystal pressure is introduced, the disjoining pressure of unfrozen water film instead of ice crystal pressure is introduced in the micromechanical model of freezing