Submitted by Jaqueline Silva (jtas29@gmail.com) on 2016-09-08T17:05:05Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Brayan Maurício Rodrigues Garzon - 2016.pdf: 1077822 bytes, checksum: 22f0f3e54ede997e3bbec84f88406474 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Jaqueline Silva (jtas29@gmail.com) on 2016-09-08T17:05:21Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Brayan Maurício Rodrigues Garzon - 2016.pdf: 1077822 bytes, checksum: 22f0f3e54ede997e3bbec84f88406474 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-08T17:05:21Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Brayan Maurício Rodrigues Garzon - 2016.pdf: 1077822 bytes, checksum: 22f0f3e54ede997e3bbec84f88406474 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2016-03-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work we study and show the existence of traveling waves solutions for a system of parabolic partial differential equations (PPDE’s) which model in-situ combustion process in porous medium. The in-situ combustion process is a thermal method to recovery oil from petrolific reservoirs. The system deduction is making considering two layers of porous rock and aplying the physical laws of balance energy, fuel mass, oxygen mass, total gas mass, and the Darcy’s law which link the pressure and volumetric flow rate. The traveling waves are obtained making an useful variavel change such that convert the PPDE’s system in an ordinary differential equations system (ODE’s) where the existence of heteroclinic orbits is equivalent to the existence of a traveling waves for the system of PPDE’s which connect the burned state to the unburned state. In the proof of the existence and uniquess of such orbits are used basic tools in Qualitative Ordinary Differential Equations Theory, Dynamical Systems, Perturbation Theory and TravelingWaves Theory with special mention to Singular Perturbation Theory and Melnikov Method inside of the perturbation theory. / Neste trabalho estudamos e mostramos a existência de soluções do tipo onda viajante para um sistema de equações diferenciais parciais parabólico (EDPP’s) que modela um processo de combustão in-situ através de um meio poroso. A combustão in-situ é um método térmico de recuperação de óleo de reservatórios petrolíferos. O sistema é deduzido considerando duas camadas de rocha porosa e aplicando as leis físicas de balanço de energia, de massa de combustível, oxigênio, gás total, e a lei de Darcy que relaciona a pressão e a vazão volumétrica dos fluidos considerados. As ondas viajantes são obtidas fazendo uma mudança de variáveis apropriada de modo que o sistema de EDPP’s se transforme num sistema de equações diferenciais ordinárias (EDO’s), onde a existência de uma orbita conectando dois equilíbrios corresponde-se com a existência de uma onda viajante do sistema de EDPP’s, conectando um estado totalmente queimado com um estado não queimado. Para a prova de existência e unicidade das referidas órbitas são utilizadas ferramentas básicas da Teoria qualitativa das Equações Diferenciais Ordinárias, Sistemas Dinâmicos, Teoria da Perturbação e Teoria de Ondas Viajantes, ressaltando dentro da teoria da perturbação a técnica da Perturbação Singular Geométrica e o Método de Melnikov.

Oriunda da etapa de destilação do caldo do caldo da cana-de-açúcar, a vinhaça é um subproduto da produção de etanol. Apesar de seu difundido uso na agricultura canavieira como fertirrigação, sua disposição no solo tem sido questionada quanto a possíveis riscos ambientais. Uma destinação alternativa à vinhaça e seu tratamento anaeróbio, considerado bastante atrativo haja vista a possibilidade de recuperação de energia na forma de biogás, sem interferir em suas qualidades como biofertilizante. Entre os sistemas de tratamento anaeróbios, os reatores de leito fixo têm sido amplamente utilizados devido à sua estabilidade operacional. A modelagem abrangente destes tipos reatores tende a ser complexa de forma que o estudo dos escoamentos em seu interior do reator é vital. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi analisar e simular numericamente a hidrodinâmica de reator de leito fixo de fluxo ascendente tipo APBR (anaerobic packed bed reactor). Em termos gerais, os resultados obtidos por simulação foram confrontados tanto com os correspondentes valores experimentais como com aqueles obtidos a partir dos modelos uniparamétricos comumente usados para representar reatores não ideais. Para tanto, foram empregados dados pré-existentes de ensaios hidrodinâmicos conduzidos no início e no final da operação, com biorreator alimentado com solução-traçador na forma de degrau a vazões de 4,6 L/dia e 2,3 L/dia. Foram considerados os modelos de dispersão de pequena e grande intensidade bem como o modelo de tanques agitados em série. Quanto às simulações numéricas, foi usado o software de CFD (fluidodinâmica computacional)COMSOL Multiphysics ® 4.3b.As curvas DTR obtidas via simulação e com base nos modelos para reatores não ideais foram confrontadas com as curvas obtidas experimentalmente. Para o reator operando com vazão de 2,3 L/dia, nenhum dos modelos propostos mostrou-se adequado quanto ao final da operação, em razão da incapacidade em representar o surgimento de picos de concentração que podem estar associados ao acúmulo de biomassa no interior do biorreator, mas também ao tipo de traçador utilizado para a realização do experimento. As demais curvas DTR sugerem que o reator em questão aproxima-se do tipo pistonado. O simulador CFD representou de forma bem adequada os dados experimentais em comparação com resultados obtidos a partir dos modelos para reatores não ideais. A simulação numérica de biorreatores para tratamento de efluentes mostrou-se, pois, capaz de fornecer informações mais detalhadas e precisas, geralmente úteis a engenharia do processo. Adicionalmente, foi implementado um simulador com base no método de Boltzmann em rede (lattice Boltzmann method, LBM) capaz de simular escoamento laminar bidimensional em regime permanente no interior de um canal. No escopo de uma linha de pesquisa em simulação LBM de biossistemas agroindustriais, trata-se de um esforço inicial quanto à simulação LBM da hidrodinâmica de biorreatores para tratamento de efluentes em geral. / Resulting from sugarcane juice distillation, vinasse is a by-product from ethanol industry. Despite its widespread use as fertirrigation at crops, direct deposition of vinasse into soils has raised environmental issues. Alternatively, it may undergo anaerobic treatment, which is very attractive in view of energy recovery as biogas while preserving vinasse quality as biofertilizer. Among anaerobic treatment systems, fixed-bed reactors come forward due to their operational stability. Their comprehensive modeling is prone to be complex so that the study of fluid flows prevailing inside is fundamental. Accordingly, the goal of this work was to numerically analyze and simulate the hydrodynamics within a particular upflow fixedbed reactor, namely anaerobic packed bed reactor. In general, results from simulations were compared with experimental counterparts as well as against results from well-known single-parameter models for non-ideal reactors. Existing data from hydrodynamic tests were then used, concerning operation at both start-up and shut-down and bioreactor stepwise feeding with tracer solution flow at 4,6 L/day and 2,3 L/day. Non-ideal reactor models comprised either low or high-dispersion together with continuous stirred-tank reactor model while COMSOL Multiphysics ® 4.3b CFD (computational fluid dynamics) software was employed for simulations. Retention time distribution (RTD) curves from simulations and from model calculations were compared to experimental ones. For operation at 2,3 L/day flow, no models proved to be suitable as far as shut-down operation is concerned, due to biomass accumulation inside the bioreactor. Remaining RTD curves suggested that reactor behavior resembles plug-flow type. Compared to non-ideal reactor models, CFD simulations proved to properly reproduce experimental data while being able to provide detailed and accurate information for process engineering towards effluent treatment. Furthermore, a numerical simulator was implemented as based on the lattice Boltzmann method (LBM) in order to deal with two-dimensional steady-state laminar flow inside a channel. As part of research work on LBM simulation of agroindustrial biosystems, aforesaid simulator contributed to LBM simulation of hydrodynamics within bioreactors for wastewater treatment in general.

La plupart des données existantes de diffusion d'eau et de solutés sont obtenues pour des roches argileuses extrêmement complexes ou des échantillons en apparence plus simples préparés à base d'argiles gonflantes sodiques de type smectite. Ces dernières pouvant présenter des organisations très variables et encore mal comprises (phase gel-floc-suspension stable) en conditions saturées, il reste très difficile de contraindre les modèles à double milieu (eau porale ou interfoliaire) parfois avancés pour interpréter des expériences de diffusion. Un système modèle d'argiles gonflantes reflétant réellement un double milieu a pu être obtenu à partir de trois fractions granulométriques d'une vermiculite-Na. Celles-ci ne présentent pas de phase gel en conditions saturées mais des particules bien définies dont la morphologie et l'organisation ont pu être caractérisées. Un dispositif de diffusion a été développé afin d'étudier la diffusion de HDO et Br- pour ces différentes fractions en fonction de la porosité. L'avantage majeur de ce dispositif est de pouvoir préparer des échantillons par sédimentation analysables en tomographie de rayons-X afin de valider leur homogénéité organisationnelle ; hypothèse considérée dans les modélisations. Les résultats obtenus démontrent que cette nouvelle voie de préparation conduit à des échantillons plus homogènes par rapport aux méthodes classiques. Les premières perspectives quant à l'utilisation de ces doubles milieux modèles se dégagent à travers les premiers résultats de diffusion obtenus puisque leurs caractéristiques géométriques parfaitement contrôlées peuvent permettre de pondérer l'impact des différents processus de transport potentiels / Most of existing data on diffusion of water and solutes were obtained either on extremely complex clayey rocks or on seemingly more simple samples prepared from sodium-saturated swelling clay minerals, namely smectites. Because these latter can exhibit in water-saturated conditions various organizations not yet fully understood (gel phase-floc-stable suspension), it is still difficult to constrain dual-porosity media modeling (pore or interlayer water) sometimes considered for interpreting results from diffusion experiments. A model system for swelling clay minerals, mimicking a true dual-porosity medium, was obtained by using three size fractions of a Na-vermiculite. These fractions do not exhibit gel-like behavior in water-saturated conditions but rather well defined particles, whose morphology and organization have been characterized. An experimental set-up was designed for the investigation of HDO and Br- diffusion in these size-fractions as a function of porosity. The main advantage of this set up is that it allows assessing for the organizational homogeneity of a sample prepared by sedimentation process through X-ray tomography measurements, an assumption considered for diffusion modeling. The obtained results showed that this new method for sample preparation leads to more homogeneous samples as compared to classical procedures. The first perspectives concerning the use of these dual-porosity model systems are drawn from the first diffusion results obtained, as the well-controlled geometrical characteristics of these model systems successfully help in balancing the contribution of the different potential transport processes.

Depuis de nombreuses années, la compréhension de l'influence des fluides dans la déformation des roches est un enjeu majeur pour de nombreux scientifiques. Dans le cadre de ce projet de recherche, notre attention s’est focalisée sur l’observation et la modélisation des mécanismes d’interaction entre les parties fluide et solide lors de l’aérofracturation d’un milieu poreux. Notre dispositif expérimental reproduit le phénomène à basse pression et dans un système pertinent pour l’analyse optique, grâce à une cellule de Hele‐Shaw rectangulaire dans laquelle se trouve un milieu granulaire soumis à des écoulements de fluide interstitiel. Dans les expériences et les simulations nous avons observé ce que l’amplitude de la partie de fréquence basse du spectre puissance diminue avec la fracturation en progrès. Aussi, nous avons développé une méthode pour focaliser les ondes ce qui peut être utiliser pour estimer la position de la source. / Fluid induced brittle deformation of porous medium is a phenomenon commonly present in everyday life. From an espresso machine to volcanoes it is possible to see traces of this phenomenon. In a rectangular Hele‐Shaw cell we inject air into a loose porous medium. Then, we monitor this system using optical imaging using a high speed camera (1000 fps) and 4 high frequency resolution accelerometers. Using the numerical and experimental acoustic emissions, different sources of the recorded signal (vibrations due to air, changes in the effective stress due to fluid‐solid interactions) are analyzed. We found that, the peaks in the low frequency range (f < 20 kHz) diminishes while the medium fractures. Furthermore, we propose a new signal localization method based on energy amplitude attenuation and inversed source amplitude comparison. Furthermore, using optical and acoustic datasets and numerical simulations, the mechanics leading Type‐A and Type‐B earthquakes are explained.

Nous avons étudié les phénomènes convectifs et leur interaction dynamique avec la formation des microstructures pendant la solidification dirigée d’alliages étalliquesbinaires.La méthode post-mortem a été utilisée d’abord pour étudier la Transition olonnaire-Equiaxe pendant la solidification dirigée d’échantillons cylindriques d’Al-3,5wt%Ni non affiné sous la Technique de Rotation Accélérée de Creuset. La simulation numérique a été éffectuée et acquérie les résultats en concordance avec les manipulations.La technique in-situ a été appliquée pour comprendre l’évolution en fonction de temps des grains pendant solidification d’Al-4wt%Cu. La caractéstiques tatistiques des grains ont été discutées.La convection d’instabilité déclenchée par la poussée ou la tension superfaciale sous les gradients thermiques verticale et horizontale dans un système de double couches liquide-zone poreuse ont réspectivement étudié par analysis d’instabilité linéaire.L’inhomogénéité de la perméabilité de zone pateuse dendritique a été tenue en compte afin de comprendre son influence sur le début de convection pendant la solidification dirigée d’Al-3,5wt%Li. / We studied the convective phenomena and their dynamical interaction with the formation of the microstructurs during directional solidification of binary metallic alloys.The post-mortem method was used first to study the Columnar-Equiaxed-Transition during the directional solidification of unrefined Al-3.5wt%Ni in cylindric samples under the Accelerated Crucible Rotation Technique. The numerical imulation was carried out and achieved the results in agreement with experiments.The in-situ technique was applied to understand the evolution of equiaxed grains during solidification of Al-4wt%Cu in function of time. The statistical characteristics of equiaxed grains were discussed.The buoyancy-driven and surface-tension-driven instability convection under vertical and horizontal thermal gradients in a liquid-porous double-layered system were respectively investigated through linear instability analysis.The inhomogeneity of the dendritic mush permeability was taken into account in order to understand its influence on the triggering of convection during the directional solidification of Al-3.5wt%Li.

Les accidents graves résultant de la fusion d’un coeur de réacteur nucléaire doivent être anticipés pour améliorer l’efficacité de leur mitigation. De tels accidents sont survenus à TMI-2 (1979) et à Fukushima (2011). Suite à un accident de perte de refroidissement, l’échauffement du coeur et l’oxydation de la gaine de combustible suivie d’un renoyage (injection d’eau) peuvent entraîner l’effondrement des barres de combustible et la formation d’un lit de débris dans le coeur. La vapeur produite lors du renoyage peut activer l’oxydation exothermique du Zircaloy, entraînant la fusion partielle des matériaux. Cette évolution engendre des zones à porosité réduite limitant la pénétration de l’eau et/ou des zones imperméables. Dans cette situation, l’efficacité de l’injection d’eau dans le coeur pour arrêter la progression de la dégradation et empêcher la fusion du coeur du réacteur peut être considérablement réduite. Dans ce cadre, l’IRSN a lancé le programme PEARL visant à étudier la thermohydraulique du renoyage des lits de débris chauds entourés d’une zone plus perméable simulant la présence de zones intactes ou moins endommagées dans le coeur. Dans cette thèse, les expériences PEARL ont été modélisées et simulées avec ICARE/CATHARE pour évaluer l’évolution d’un renoyage d’un lit de débris surchauffé entouré d’un bypass de perméabilité plus grande. La thermohydraulique du processus a été analysée et l’effet de différents paramètres (géométrie, conditions aux limites) sur le comportement de renoyage a été évalué. Sous certaines conditions, l’entraînement de l’eau dans le bypass a été identifié et évalué. Un modèle analytique a été mis au point ensuite pour étudier de façon approfondie le renoyage d’un milieu poreux hétérogène surchauffé composé de deux lits de débris de perméabilité et de porosité différentes et pour décrire l’entraînement de l’eau dans le bypass. Ce modèle calcule les principales variables caractérisant le processus de renoyage, telles que la vitesse du front de trempe, le taux de conversion eau-vapeur et le débit d’eau entraîné dans le bypass.Il fournit de bons résultats qualitatifs et quantitatifs concernant la redistribution du débit d’eau par rapport aux résultats expérimentaux. Ce modèle a plusieurs avantages. Il est écrit sous une forme plutôt générale incluant les termes de correction de Forchheimer et les termes croisés non nuls dans l’équation de Darcy-Forchheimer généralisée. Les différentes options des équations de quantité de mouvement proposées, y compris les changements dans les corrélations et les lois de frottement interfacial, peuvent être testées facilement. La comparaison des calculs avec les résultats expérimentaux indique qu’il est nécessaire d’inclure une loi de frottement interfacial pour obtenir de bonnes prédictions. L’extrapolation à l’échelle du réacteur est simple et des calculs ont été effectués pour évaluer l’impact des paramètres géométriques du lit de débris (granulométrie, porosité, dimensions) ainsi que les conditions thermiques et hydrauliques (température, pression, débit d’injection). Ainsi, le modèle est très utile pour estimer le temps de trempe total et latempérature maximale qui pourraient être atteinte dans le lit de débris à grande échelle. Cela permet d’évaluer la probabilité de réussite du renoyage d’un lit de débris chauds formé lors d’un scénario accidentel hypothétique. / Severe accidents arising from the fusion of a nuclear reactor core must be anticipated to enhance the efficiency of their mitigation. Such accidents have occurred at TMI-2 (1979) and Fukushima (2011). Following a loss of coolant accident, core heating and oxidation of the fuel cladding followed by reflooding (injection of water) may lead to the collapse of fuel rods and formation of porous debris bed in the core. Steam produced upon reflooding may activate the exothermic oxidation of Zircaloy leading to partial melting of materials. Such evolution generates zones with reduced porosity limiting coolant penetration and/or impermeable blocked zones. In this situation, the efficiency of injecting water into the core to stop the progress of degradation and prevent the reactor core melting may be significantly reduced. In this scope, IRSN launched PEARL program to investigate the thermal hydraulics of reflooding of hot debris beds surrounded by a more permeable zone simulating the presence of intact or less damaged zones in the core. The PEARL experiments were modeled and simulated using ICARE/CATHARE code to assess the evolution of a bottom reflooding of a superheated debris bed surrounded by a bypass of larger permeability. The thermal hydraulics of the quenching process has been analyzed and the effect of each of the initial conditions on the reflooding behavior was assessed. The effect of pressure was investigated and related to the entrainment of injected water at quench front level into the bypass. An analytical model was then developed to investigate thoroughly the reflooding of a superheated heterogeneous porous medium, composed of two layers of contrasting permeability and porosity, and to describe the water entrainment in the bypass. This model computes the main variables characterizing the reflooding process such as quench front velocity, water-to-steam conversion ratio, and the flow rate of water entrained in the bypass. It provides good qualitative and quantitative results for the two-phase flow redistribution as compared to experimental results. This model has several advantages. It is written in a rather general form including the Forchheimer correction terms and non-zero cross-terms in the generalized Darcy-Forchheimer momentum equation. Variations of proposed momentum equations including changes in correlations andinterfacial friction laws can be tested easily and efficiently. Comparison of the calculations against experimental results indicated that it is necessary to include an interfacial friction law to obtain good predictions. This model allows performing fast evaluations of the efficiency of cooling bycomputing the fraction of the injected flow rate that participates in cooling. Upscaling to the reactor scale is straightforward and calculations were performed to assess the impact of geometric parameters of the debris bed (particle size, porosity, dimensions) as well as thermal hydraulic conditions (temperature, pressure, injection flow rate) on the reflooding process. Thus the model is very useful to estimate the total quenching time and the maximum temperature that could be reached by the hot debris bed at large scales. This allows assessing the probability of a successful quenching of a hot debris bed formed during a hypothetical accidental scenario.

MSc (Mathematics) / Department of Mathematics and Applied Mathematics / The unsteady hydromagnetic chemically reacting mixed convection MHD ow over a permeable stretching sheet embedded in a porous medium with thermal radiation and heat source/sink is investigated numerically. The original partial di erential equations are converted into ordinary di erential equations by using similarity transformation. The governing non-linear partial di erential equations of Momentum, Energy, and Concentration are considered in this study. The e ects of various physical parameters on the velocity, temperature, and species concentration have been discussed. The parameters include the Prandtl number (Pr), Magnetic parameter (M), the Schmidt number (Sc), Unsteady parameter (A), buoyancy forces ratio parameter (N), Chemical reaction (K), Radiation parameter (Nr), Eckert number (Ec), local heat source/sink parameter (Q) and buoyancy parameter due to temperature ( ). The coe cient of Skin friction and Heat transfer are investigated. The coupled non-linear partial di erential equations governing the ow eld have been solved numerically using the Spectral Relaxation Method (SRM). The results that are obtained in this study are then presented in tabular forms and on graphs and the observations are discussed. / NRF

This thesis addresses numerical simulations of self-compacting concrete (SCC) castings and suggests a novel modelling approach that treats reinforcement zones in a formwork as porous media. As a relatively new field in concrete technology, numerical simulations of fresh concrete flow can be a promising aid to optimise casting processes and to avoid on-site casting incidents by predicting the flow behaviour of concrete during the casting process. The simulations of fresh concrete flow generally involve complex mathematical modelling and time-consuming computations. In case of a casting prediction, the simulation time is additionally significantly increased because each reinforcement bar occurring in succession has to be considered one by one. This is particularly problematic when simulating SCC casting, since this type of concrete is typically used for heavily reinforced structural members. However, the wide use of numerical tools for casting prediction in practice is possible only if the tools are user-friendly and simulations are time-saving. In order to shorten simulation time and to come closer to a practical tool for casting prediction, instead to model steel bars one by one, this thesis suggests to model zones with arrays of steel bars as porous media. Consequently, one models the flow of SCC through a reinforcement zone as a free-surface flow of a non-Newtonian fluid, propagating through the medium. By defining characteristic parameters of the porous medium, the influence on the flow and the changed (apparent) behaviour of concrete in the porous matrix can be predicted. This enables modelling of any reinforcement network as a porous zone and thus significantly simplifies and fastens simulations of reinforced components’ castings. Within the thesis, a computational model for SCC flow through reinforced sections was developed. This model couples a fluid dynamics model for fresh concrete and the macroscopic approach for the influence of the porous medium (formed by the rebars) on the flow. The model is implemented into a Computational Fluid Dynamics software and validated on numerical and experimental studies, among which is a large-scale laboratory casting of a highly reinforced beam. The apparent rheology of concrete within the arrays of steel bars is studied and a methodology to determine unknown input parameters for the porous medium is suggested. Normative tables defining characteristic porous medium parameters as a function of the topology of the rebar zone for different reinforcement cases are generated. Finally, the major contribution of this work is the resulting numerical package, consisting of the numerical solver and the parameter library. The thesis concludes on the ability of the porous medium analogy technique to reliably predict the concrete casting behaviour, while being significantly easier to use and far less time consuming than existing tools. / Die Arbeit behandelt die numerische Modellierung des Fließverhaltens von selbst-verdichtendem Beton (SVB) in bewehrten Schalungselementen. Die numerische Simulation des Fließens von Frischbeton kann eine vielversprechende Unterstützung bei der Optimierung von Befüllvorgängen sein, indem diese bereits im Vorfeld vorhergesagt werden. Die Simulation des Fließens von Frischbeton verwendet komplizierte mathematische Modelle und zeitintensive Rechenoperationen. Darüber hinaus wird die Simulationszeit für die Vorhersage des Füllvorgangs zusätzlich deutlich verlängert, weil aufeinanderfolgende Bewehrungsstäbe einzeln zu berücksichtigen sind. Das ist insbesondere für die Simulation von SVB ein entscheidendes Problemfeld, da SVB oft gerade für hochbewehrte Bauteile verwendet wird. Dennoch ist ein weitreichender Einsatz von numerischen Hilfsmitteln bei der Vorhersage von Füllprozessen nur denkbar, wenn die Anwenderfreundlichkeit und eine Zeitersparnis gewährleistet werden können. Um die Simulationszeit zu verkürzen und näher an eine anwenderfreundliche Lösung für die Vorhersage von Füllprozessen zu kommen, wird als Alternative zur einzelnen Modellierung aller Stahlstäbe in dieser Arbeit vorgeschlagen, Zonen mit Bewehrungsstäben als poröse Medien zu modellieren. Infolgedessen wird das Fließen von SVB durch bewehrte Zonen als Strömung eines nicht-Newton’schen Fluides durch ein poröses Medium betrachtet. Durch die Definition charakteristischer Parameter des porösen Mediums kann das veränderte Verhalten des Betons in der porösen Matrix vorhegesagt werden. Dies ermöglicht die Modellierung beliebiger Bewehrungszonen und vereinfacht und beschleunigt folglich die numerische Simulation bewehrter Bauteile. Im Rahmen der Arbeit wird ein Rechenmodell für das Fließverhalten von SVB durch bewehrte Schalungszonen entwickelt. Das Modell verkoppelt das Strömungsverhalten von Beton mit dem makroskopischen Ansatz für den Einfluss von porösen Medien, welche in diesem Fall die Bewehrungsstäbe ersetzen. Das entwickelte Modell wird in eine CFD-Software implementiert und anhand mehrerer numerischer und experimenteller Studien validiert, darunter auch ein maßstabsgetreues Fließexperiment eines hochbewehrten Balkens. Darüber hinaus wird die scheinbare Rheologie des Betons innerhalb der Anordnung der Stahlstäbe untersucht und daraus eine Methode zur Bestimmung unbekannter Parameter für das poröse Medium vorgeschlagen. Es werden hierfür auch normative Tabellen generiert, die die charakteristischen Eigenschaften der porösen Medien für unterschiedliche Bewehrungsanordnungen abbilden. Zuletzt ist der Hauptbeitrag dieser Arbeit das resultierende Numerikpaket, bestehend aus dem numerischen Solver einschließlich des implementierten Modells sowie der Parameterbibliothek. Im Abschluss werden die Verlässlichkeit der Vorhersage von Füllvorgängen durch die Analogie zu porösen Medien erörtert sowie Schlussfolgerungen zur deutlichen Ersparnis an Aufwand und Zeit gegenüber herkömmlichen Methoden vorgenommen.

Le comportement d’un fluide confiné dans un milieu poreux peu perméable (micro- and méso-pores) a été étudié en ce qui concerne ses propriétés de diffusion de masse, de conductivité thermique et de thermodiffusion. Pour ce faire des simulations de dynamique moléculaire hors équilibre ont été réalisées sur des mélanges binaires modèles placés dans des conditions thermodynamiques diverses, confinés dans des milieux poreux de géométrie lamellaire de différentes natures (lisse ou atomique, plus ou moins adsorbant) en utilisant l’ensemble __//_ et l’ensemble grand canonique. Les résultats ont montré que les effets du milieu poreux sur les propriétés de transport sont d’autant plus marqués que lataille de pore est petite, que l’adsorption est forte et que la température est basse. Les résultats ont permis d’évaluer quantitativement ces effets. Il a aussi été montré que la rugosité des murs a un impact très important sur le coefficient de diffusion de masse et non négligeable sur celui de thermodiffusion. / The aim of this work was to study how a fluid confined in a low permeability porous medium (micro- and meso-porous) behaves concerning its properties of mass diffusion, thermal conductivity and thermal diffusion. For this purpose, non-equilibrium molecular dynamics simulations have been performed on simple binary mixtures placed in various thermodynamic conditions, confined in a porous medium of lamellar geometry of different types (structure-less or atomistic, more or less adsorbent) in __//_ and grand canonical ensembles. The results show that the effects of porous medium on transport properties are more pronounced when the pore size is small, the adsorption is strong and the temperature is low. The results allowed to evaluate these effects quantitatively. In addition, it has been found that the wall roughness has a major impact on the mass diffusion coefficient and a non negligible one on the thermal diffusion coefficient.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR CGS µLab, qui vise à appréhender lesmécanismes fondamentaux impliqués dans les procédés de stockage profond du CO2 à partir des laboratoiresgéologiques sur puce (GLoCs – geological labs on chip) pour reproduire les conditions depression et de température des milieux géologiques profonds. Au-delà de la compréhension expérimentale,l’apport des techniques de modélisations numériques apparaît essentiel afin de définir des modèlespermettant de prévoir notamment les capacités maximales de stockage à partir des caractéristiques duréservoir (porosité, perméabilité, température, pression, géochimie), et du procédé d’injection (débit,composition). Dans ce contexte, ce travail a principalement deux objectifs : (i) associer l’imagerie expérimentaleet la modélisation numérique pour simuler des écoulements non réactifs dans des GLoCset (ii) suivre expérimentalement les évolutions structurelles d’un milieu poreux 3D soumis à un écoulementréactif. Notre démarche comporte deux parties pour répondre à ces objectifs. Dans la premièrepartie, nous avons effectué la modélisation 3D des perméabilités des GLoCs par la prise de moyennevolumique. Pour ce faire, nous avons d’abord vérifié le comportement darcéen d’un GLoC en fonctionde son nombre de rangs de plots en étudiant un problème de diffusion sur un maillage emboîté quenous avons implémenté à partir d’une image binaire du GLoC pour réduire le temps de calcul. Puis,nous avons mis à jour notre code de perméabilité, qui résout le problème de fermeture de l’écoulement,en calculant analytiquement en 3D le critère de stabilité qui prend en compte l’anisotropie dela géométrie des GLoCs. Nous avons ensuite traité les images numériques 2D des GLoCs avant deprocéder à la génération de leurs volumes élémentaires représentatifs (VERs) 3D. Nous avons enfinsimulé les perméabilités des GLoCs avant de les confronter aux résultats expérimentaux et à ceuxobtenus avec le logiciel PHOENICS. Dans la deuxième partie, nous avons développé un montage expérimentalpermettant de recréer des milieux poreux réactifs en 3D au sein d’un canal microfluidique(lit fixe de microparticules de carbonates de calcium – CaCO3). Grâce à la laminographie X de la ligneID19 de l’ESRF, nous avons pu observer sur des coupes d’image 2D reconstruites les phénomènes dedissolution lors de l’injection successive de volumes constants de solution hors équilibre. Cette preuvede concept a ouvert de nouvelles perspectives d’utilisation de cette méthodologie pour acquérir desdonnées cinétiques sur des phénomènes de fronts réactifs dans les poreux. / This thesis work is included within the ANR CGS µLab projet, which aims to understand thefundamental mechanisms involved in the deep storage processes of CO2 from on-chip geological laboratories(GLoCs - geological labs on chip) to reproduce the pressure and temperature conditionsof deep geological environments. Besides experimental understanding, the contribution of numericalmodeling approaches appears essential in order to define models allowing to predict in particularthe maximum storage capacities based on the characteristics of the reservoirs (porosity, permeability,temperature, pressure, geochemistry), and the injection process (flow rate, composition). In thiscontext, this work has two main goals : (i) to associate experimental imaging and numerical modelingto simulate non-reactive flows in model porous media on chip ; and (ii) to follow experimentally thestructural evolution of a 3D porous medium undergoing a reactive flow. In order to address to thesegoals, the approach we have proposed is divided into two parts. In the first part, we carried out the3D modeling of the permeabilities of GLoCs by taking volume averaging. To do this, we first verifiedthe behavior of a GLoC according to its number of plots rows by studying a diffusion problem ona nested mesh that we have implemented from a GLoC binary image to reduce computation time.Then, we updated our permeability code, which solves the closure problem of flow, by analyticallycalculating in 3D the stability criterion that takes into account the anisotropy of GLoC geometry. Wethen processed the 2D digital images of the GLoCs before proceeding with the generation of their3D representative elementary volumes. Finally, we have simulated the permeabilities of GLoCs beforecomparing them with the experimental results and those obtained with the PHOENICS software. In asecond part, we have developed an experimental set-up to recreate 3D reactive porous media within amicrofluidic channel (fixed packed bed of calcium carbonate - CaCO3 microparticles). Using the X-raylaminography of the ESRF line ID19, we have observed on reconstructed 2D images the dissolutionphenomena occurring during the successive injection of constant volumes of non-equilibrium solution.This proof of concept has opened new possibilities for using this methodology to acquire kinetic dataon reactive front phenomena in porous media.