La migration de particules fines dans un milieu poreux fait l’objet de nombreuses études dans différents domaines. Par exemple, la présence de particules fines dans les nappes phréatiques constitue des voies de transfert de polluants (e.g. bactéries, virus, métaux lourds) à travers les sols. Par ailleurs, les phénomènes complexes d’adsorption et de désorption des particules fines dans le milieu poreux sont la cause de multiples dégâts dans les systèmes hydrauliques (e.g. digues, puits pétroliers, filtres de traitements des eaux). Les particules fines forment des agrégats et se déposent autour des grains collecteurs affectant la perméabilité du milieu poreux. Ainsi, différents processus mécaniques et/ou physico-chimiques contrôlent le colmatage de la matrice poreuse. L’objectif de ce travail est d’étudier l’effet de l’hétérogénéité du milieu poreux (i.e. granulométrie, porosité) sur les phénomènes de transport et de dépôt des particules colloïdales en suspension. La finalité de ce travail est de donner un modèle prédictif de perméabilité afin de pouvoir estimer la pérennité du système. Dans ce but, une campagne d’essais expérimentaux est menée sur le suivi du transport et du dépôt des particules fines argileuses dans différents milieux naturels sableux. Ces travaux ont été réalisés dans des colonnes de laboratoire pour lesquels les conditions hydrauliques peuvent être contrôlées et où la concentration des fines à l’entrée de la colonne est imposée. Après injection des particules fines, le suivi de la matrice poreuse dans l’espace et dans le temps est réalisé en utilisant un banc gamma-densimétrique. L’évolution de la perméabilité caractérisant le colmatage du matériau est analysée par l’intermédiaire de la mesure de la chute de pression dans la colonne. Les expériences menées dans les différentes colonnes ont permis de mettre en évidence l’importance de la taille des grains et la porosité du milieu ainsi que la vitesse d’injection dans la formation du dépôt. D’après nos résultats, au début de l’essai le dépôt de particules se fait autour des collecteurs sur des sites de surface. Ensuite les ponts de liaison sont créés entre les grains collecteurs. Nous avons constaté que la première partie du dépôt est plus importante dans le cas de grains de taille importante. Afin d’interpréter les résultats de l’évolution de la perméabilité, nous avons utilisé le modèle de Kozeny-Carman, où nous avons introduit l’évolution du dépôt dans l’estimation de la surface spécifique du milieu. Ce modèle nous a permis également de prendre en compte l’hétérogénéité du milieu et l’évolution de chaque couche par l’intermédiaire des paramètres tels que la porosité et la tortuosité du milieu. Les observations microscopiques et les mesures de porosités sur les échantillons colmatés ont étayé les schémas de dépôt et de saturation des sites de rétention. Ce travail expérimental s’accompagne d’une modélisation par l’équation de convection dispersion avec un terme de puits simulé par une cinétique du second ordre. Elle met en évidence l’importance des particules déjà déposées ainsi que la porosité initiale du milieu et la vitesse d’écoulement. / The migration of fine particles in a porous medium is the subject of many studies in various fields. For example, the presence of fine particles in groundwater constitutes pathways of pollutants (e.g. bacteria, viruses, heavy metals) through the soil. Furthermore, the complex processes of adsorption and desorption of the fine particles in the porous medium are the cause of damage to multiple hydraulic systems (e.g. dams, oil wells, filters for water treatment). The fine particles form aggregates and settles around collecting grains affecting the permeability of the porous medium. Thus, various mechanical and / or physico -chemical processes control the clogging of the porous matrix. The objective of this work is to study the effect of heterogeneity of the porous medium (i.e. grain size, porosity) on the phenomena of transport and deposition of colloidal particles in suspension. The purpose of this work is to provide a predictive model of permeability in order to estimate the sustainability of the system. For this purpose, a campaign of experimental tests are conducted on the monitoring of transport and deposition of fine particulate clay in different natural environments sandy. These studies were conducted in laboratory columns for which the hydraulic conditions can be controlled and where the concentration of fines in the entry of the column is imposed. After injection of the fine particles, the monitoring of the porous matrix in space and time is carried out using a gamma - densimetric bench. Changes in permeability characterizing the clogging material is analyzed by means of the measurement of the pressure drop in the column. Experiences in the different columns have helped highlight the importance of grain size and porosity of the medium and the injection rate in the formation of the deposit. Our results at the beginning of the test particle deposition is around collectors on surface sites. Then the connecting bridges are created between the grains collecting. We found that the first portion of the deposit is larger in the case of large-sized grains. To interpret the results of the evolution of permeability, we used the Kozeny - Carman model, where we have introduced the evolution of the repository in estimating the surface area of the medium. This model also allowed us to take into account the heterogeneity of the environment and the evolution of each layer by using parameters such as porosity and tortuosity of the medium. Microscopic observations and measurements of porosity on samples clogged supported schemes and deposit saturation retention sites. This experimental work is accompanied by modeling the dispersion equation convection with a term well simulated by a second order kinetics. It highlights the importance of particles already deposited and the initial porosity of the medium and the flow velocity.

La Société le Nickel ’SLN’ est l’un des plus grands exploitants de nickel en Nouvelle Calédonie. Le Stockage des déchets de l’exploitation minière sur le site d’exploitation se fait sous forme de tas manufacturés appelés versants. Pour assurer la stabilité de ces versants, il est nécessaire d’assurer un stockage hors d’eau de ces stériles miniers. Pour se faire, une mise en place des ouvrages en enrochement enterrés se fait au fur et à mesure de l’avancement des travaux d’installation des versants. Le rôle de ces ouvrages enterrés est de maintenir l’écoulement d’eau à travers le milieu poreux. Le premier objectif de la thèse est donc de mieux comprendre les interactions hydrodynamiques dans les milieux très perméables dans le cas d’écoulements pleinement turbulents. La première partie de ce travail concerne une étude expérimentale menée à l’Institut National Agronomique de Tunisie (INAT) mais aussi à l’Institut de mécanique de fluide de Toulouse (IMFT) dont le but est d’étudier à la fois l’évolution de la ligne d’eau dans les milieux macroporeux et la variation de la perméabilité de ces derniers en fonction du nombre de Reynolds. Des simulations avec des modèles de perte de charge les plus utilisés dans la littérature ont été effectuées, pour tester leur capacité à reproduire la ligne d’eau dans les conditions de nos expériences. Les deux relations de Forchheimer (1901) et d’Ergun (1952) donnent des résultats proches de nos expériences avec des valeurs de coefficients adaptés pour notre cas, alors que la relation de Barree et Conway (2004) ne semble pas reproduire les résultats attendus. L’eau qui circule dans les ouvrages enterrés est une eau chargée d’où l’intérêt d’étudier le transport sédimentaire dans ces milieux macroporeux. Pour se faire, une étude expérimentale a été réalisée sur le transport et le dépôt des particules dans des milieux synthétiques constitués de particules de diamètre moyen de 15 cm

L'objectif de ce travail de recherche est d'étudier numériquement le transport et le dépôt de particules dans des milieux poreux à l'échelle des pores.Premièrement, un couplage entre la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) et la méthode des éléments discrets (DEM) est réalisé et utilisé pour simuler l'écoulement d'un fluide chargé en particules. La LBM est utilisée pour décrire l'écoulement du fluide autour des fibres tandis que la DEM est utilisée pour traiter la dynamique des particules. Ce couplage est bidirectionnel dans le sens où le mouvement des particules affecte le flux de fluide et réciproquement. Ce modèle nous a permis de prédire l'efficacité de capture et la chute de pression à l'étape initiale du processus de filtration. Le facteur de qualité est également calculé pour déterminer la qualité de filtration.Ensuite, on se focalise sur l'étude de l'efficacité de la capture de fibres de formes de section transversale différentes (circulaire, losange et carrée). Les résultats issus de nos simulations du processus de filtration de la fibre circulaire concordent bien avec les corrélations empiriques. L'impaction des particules sur la face avant de la fibre de forme carrée est plus importante que dans les cas de fibre de formes circulaire et losange. Cependant, en raison d'une chute de pression plus faible, la fibre de section losange présente une meilleure qualité de filtration. Ensuite, les variations du facteur de qualité dues à l'angle d'orientation et au rapport d'aspect des fibres ont été étudiées numériquement pour la forme rectangulaire. Pour chaque cas, on a déterminé la valeur optimale de la zone au vent pour laquelle le facteur de qualité est maximal. La comparaison des valeurs du facteur de qualité obtenues pour les différentes formes de fibre monte une meilleure performance pour la fibre de section carrée orientée avec un angle de π/4.Enfin, l'influence de l'arrangement des fibres sur la qualité de la filtration est analysée en considérant la configuration en quinconce pour les différentes formes. Les simulations conduites pour différentes tailles de particules et différentes valeurs de la densité (particule/air) montent que la fibre de section losange est plus performante en termes de facteur de qualité pour les particules de grande taille et pour les valeurs de densité élevée. La présente étude fournit des pistes pour optimiser le processus de filtration et prédire la qualité de filtration. / The objective of the present research was to numerically investigate the transport and deposition of particles in porous media at the pore scale. Firstly, a developed coupled lattice Boltzmann method (LBM) and discrete element method (DEM) is used to simulate the fluid-particle flow. LBM is employed to describe the fluid flow around fibers whereas DEM is used to deal with the particle dynamics. The corresponding method is two-way coupling in the sense that particle motion affects the fluid flow and reciprocally. It allowed us to predict the capture efficiency and pressure drop at the initial stage of filtration process. The quality factor is also calculated for determining the filtration performance. Secondly, we focus on the study the capture efficiency of single fiber with circular, diamond and square cross-section, respectively. The results of LBM-DEM for filtration process of single circular fiber agree well with the empirical correlation. The impaction of particles on the front side of square-shaped fiber is more favorable than those on circular and diamond cases. However, diamond fiber exhibits a good filtration performance. Then the variations of quality factor due to the different orientation angle and aspect ratio of rectangular fiber were studied using LBM-DEM. For each case, we have found the optimal value of the windward area to which corresponds a maximum value of the quality factor. The comparison of the performance of the different forms of fibers shows that the largest quality factor is obtained for square fiber oriented with angle π/4.Finally, the influence of the arrangement of fiber on filtration performance is analyzed by considering the staggered configuration. Simulations conducted for several particle size and density show that the diamond with staggered array performs better for large particles and high particle-to-fluid density ratio in terms of quality factor. The present study provide an insight to optimize the filtration process and predict filtration performance.

La migration de particules fines dans un milieu poreux fait l'objet de nombreuses études dans différents domaines. Par exemple, la présence de particules fines dans les nappes phréatiques constitue des voies de transfert de polluants (e.g. bactéries, virus, métaux lourds) à travers les sols. Par ailleurs, les phénomènes complexes d'adsorption et de désorption des particules fines dans le milieu poreux sont la cause de multiples dégâts dans les systèmes hydrauliques (e.g. digues, puits pétroliers, filtres de traitements des eaux). Les particules fines forment des agrégats et se déposent autour des grains collecteurs affectant la perméabilité du milieu poreux. Ainsi, différents processus mécaniques et/ou physico-chimiques contrôlent le colmatage de la matrice poreuse. L'objectif de ce travail est d'étudier l'effet de l'hétérogénéité du milieu poreux (i.e. granulométrie, porosité) sur les phénomènes de transport et de dépôt des particules colloïdales en suspension. La finalité de ce travail est de donner un modèle prédictif de perméabilité afin de pouvoir estimer la pérennité du système. Dans ce but, une campagne d'essais expérimentaux est menée sur le suivi du transport et du dépôt des particules fines argileuses dans différents milieux naturels sableux. Ces travaux ont été réalisés dans des colonnes de laboratoire pour lesquels les conditions hydrauliques peuvent être contrôlées et où la concentration des fines à l'entrée de la colonne est imposée. Après injection des particules fines, le suivi de la matrice poreuse dans l'espace et dans le temps est réalisé en utilisant un banc gamma-densimétrique. L'évolution de la perméabilité caractérisant le colmatage du matériau est analysée par l'intermédiaire de la mesure de la chute de pression dans la colonne. Les expériences menées dans les différentes colonnes ont permis de mettre en évidence l'importance de la taille des grains et la porosité du milieu ainsi que la vitesse d'injection dans la formation du dépôt. D'après nos résultats, au début de l'essai le dépôt de particules se fait autour des collecteurs sur des sites de surface. Ensuite les ponts de liaison sont créés entre les grains collecteurs. Nous avons constaté que la première partie du dépôt est plus importante dans le cas de grains de taille importante. Afin d'interpréter les résultats de l'évolution de la perméabilité, nous avons utilisé le modèle de Kozeny-Carman, où nous avons introduit l'évolution du dépôt dans l'estimation de la surface spécifique du milieu. Ce modèle nous a permis également de prendre en compte l'hétérogénéité du milieu et l'évolution de chaque couche par l'intermédiaire des paramètres tels que la porosité et la tortuosité du milieu. Les observations microscopiques et les mesures de porosités sur les échantillons colmatés ont étayé les schémas de dépôt et de saturation des sites de rétention. Ce travail expérimental s'accompagne d'une modélisation par l'équation de convection dispersion avec un terme de puits simulé par une cinétique du second ordre. Elle met en évidence l'importance des particules déjà déposées ainsi que la porosité initiale du milieu et la vitesse d'écoulement.

La Société le Nickel ’SLN’ est l’un des plus grands exploitants de nickel en Nouvelle Calédonie. Le Stockage des déchets de l’exploitation minière sur le site d’exploitation se fait sous forme de tas manufacturés appelés versants. Pour assurer la stabilité de ces versants, il est nécessaire d’assurer un stockage hors d’eau de ces stériles miniers. Pour se faire, une mise en place des ouvrages en enrochement enterrés se fait au fur et à mesure de l’avancement des travaux d’installation des versants. Le rôle de ces ouvrages enterrés est de maintenir l’écoulement d’eau à travers le milieu poreux. Le premier objectif de la thèse est donc de mieux comprendre les interactions hydrodynamiques dans les milieux très perméables dans le cas d’écoulements pleinement turbulents. La première partie de ce travail concerne une étude expérimentale menée à l’Institut National Agronomique de Tunisie (INAT) mais aussi à l’Institut de mécanique de fluide de Toulouse (IMFT) dont le but est d’étudier à la fois l’évolution de la ligne d’eau dans les milieux macroporeux et la variation de la perméabilité de ces derniers en fonction du nombre de Reynolds. Des simulations avec des modèles de perte de charge les plus utilisés dans la littérature ont été effectuées, pour tester leur capacité à reproduire la ligne d’eau dans les conditions de nos expériences. Les deux relations de Forchheimer (1901) et d’Ergun (1952) donnent des résultats proches de nos expériences avec des valeurs de coefficients adaptés pour notre cas, alors que la relation de Barree et Conway (2004) ne semble pas reproduire les résultats attendus. L’eau qui circule dans les ouvrages enterrés est une eau chargée d’où l’intérêt d’étudier le transport sédimentaire dans ces milieux macroporeux. Pour se faire, une étude expérimentale a été réalisée sur le transport et le dépôt des particules dans des milieux synthétiques constitués de particules de diamètre moyen de 15 cm / The 'SLN' Company is one of the largest nickel operators in New Caledonia. The mining wastestorage at the operation site is as a slope. To ensure the stability of these slopes, it is necessary toensure an out of water storage of the waste rock. To do that, an underground rockfillimplementation is installed. The purpose of these buried structures is to maintain the flow of waterthrough its pores. The first objective of the thesis is to better understand the hydrodynamicinteractions in highly permeable porous media and in case of fully turbulent flows. The first part ofthis work relates to an experimental study carried out at the National Agronomic Institute of Tunisia(INAT) and the Institute of Fluid Mechanics of Toulouse (IMFT) whose aim is to study the waterprofile evolution in macro porous media and the permeability variation as a function of theReynolds number. Simulations with the most widely used pressure drop relationships in theliterature were performed to check their ability to reproduce our experimental water profile. Thetwo relations of Forchheimer (1901) and Ergun (1952) give the most satisfactory results withadapted coefficients values for our case, whereas the Barree and Conway (2004) formula doesn’tseems to give expected results. Given that the circulating water in these buried structures is acharged water, we studied the sedimentary transport in macro porous media. To do this, anexperimental study was carried out on the transport and deposition of particles in the studiedporous media which mean diameter is d=15 cm.