La thermodiffusion, également appelé effet Soret, décrit le couplage entre les gradients de température et les flux massiques qui en résultent. Ce phénomène intervient dans de nombreux processus naturels et applications industrielles. En particulier, les réservoirs pétroliers sont sujets à ce phénomène impliquant des fluides multi constituants confinés dans une matrice poreuse et soumis à un gradient de température. Néanmoins, malgré beaucoup des progrès, il existe relativement peu de mesures fiables de ce phénomène et sa modélisation reste largement un problème ouvert. L’objectif principal de cette thèse s’inscrit dans ce cadre, à savoir développer une approche expérimental permettant de fournir des données de références sur la thermodiffusion notamment dans l’optique de quantifier l’effet de la pression sur cette dernière. Ainsi, durant cette thèse, nous avons développé une cellule de thermodiffusion en milieu libre qui permet d’étudier par shadowgraphie les fluctuations de non équilibre induites par effet Soret. L’appareil de mesure a ensuite été utilisé pour étudier deux mélanges binaires représentatifs de fluides pétroliers, à savoir le mélange équimassique tétraline/dodécane (en phase liquide) et le mélange dioxyde de carbone/méthane (en phases gaz et supercritique). En complément, des simulations de dynamique moléculaire ont été réalisées sur le mélange dioxyde de carbone/méthane. Par analyse dynamique des images de shadowgraphie nous avons pu déterminer les coefficients de diffusion et Soret en fonction de la pression pour le mélange tétraline/dodécane. Aux incertitudes près, nous observons une décroissance linéaire avec la pression pour ces coefficients. De plus nous avons observé l’effet du confinement de la cellule sur les fluctuations en très bon accord avec la théorie et les simulations. Pour le mélange dioxyde de carbone/méthane l’analyse dynamique a montré une cinétique difficilement accessible de par les limites physiques et informatiques du dispositif expérimental utilisé. L’analyse statique montre, quant à lui, une croissance rapide de l’amplitude des fluctuations avec la pression jusqu’à un seuil au-delà duquel elle décroît. Sur ce mélange les simulations de dynamique moléculaire ont montré un bon accord avec les prédictions théoriques. / Thermodiffusion, also called the Soret effect, describes the coupling between temperature gradient and resulting fluxes. This phenomenon is involved in a number of natural and industrial processes. In particular, multi components fluids in petroleum reservoirs are subjected to this phenomenon because of the geo-thermal gradient. Nevertheless, in spite of a lot of advances, there are few available data of this phenomenon and the establishment of a theoretical model, able to give a quantitative estimation of these transport coefficients whatever molecules in presence, is still an open question. The principal aim of this thesis is to develop an experimental approach allowing providing reference data on thermodiffusion as a function of the pressure. During this thesis, we developed a high pressure thermodiffusion cell in free medium, enabling us to study concentration non-equilibrium fluctuations induced by the Soret effect by means of shadowgraph optical technique. With this setup we investigated two binary mixtures representatives of petroleum fluids; namely the equimassic tetralin/dodecane mixture in liquid phase and the carbon dioxide/methane mixture in gaseous and super critical state. Furthermore, molecular dynamic simulations on the second mixture were performed. Using a dynamic image analysis, we have measured molecular diffusion and Soret coefficient for the tetralin/dodecane mixture. Within experimental uncertainties, we observed a linear decrease of these coefficients with the pressure. Furthermore, we were able to observe the effect of confinement (finite size effect induced by cell vertical boundary conditions) on fluctuation dynamics, in good agreement with calculations and simulations based on hydrodynamic fluctuation theory on similar solutal Rayleigh number. Concerning the carbon dioxide/methane mixture, the dynamic analysis revealed a kinetic too fast for our experimental apparatus. Conversely, static analysis revealed a rapid increase of the non-equilibrium fluctuation magnitude as a function of the pressure up to a threshold beyond which it decreases. On this mixture, performed molecular dynamic simulations provided results in good agreement with expected theoretical behaviour.

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.

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Ces travaux de thèse visent à étudier les transferts couplés de chaleur, de masse et d’air au sein des matériaux poreux. Sur le volet de la modélisation, il s’agit de prédire le comportement hygrothermique de ces matériaux, à l’aide d’un modèle macroscopique, qui intègre à la fois l’effet du phénomène de thermodiffusion et celui de la pression totale de l’air s’exerçant sur les parois du bâtiment. Ce modèle, dont les paramètres d’entrée sont évalués expérimentalement, utilise des moteurs de transfert continus, d’où la possibilité de traiter des problèmes de transferts dans les matériaux multicouches. Il présente aussi l’avantage d’admettre, dans certaines configurations, des solutions analytiques d’où la possibilité d’entreprendre des comparaisons avec des solutions numériques. De plus, une justification formelle des équations de bilan de ce modèle a été abordée, moyennant l’utilisation d’une approche à changement d’échelle « micro-macro ». Il s’agit d’affiner la modélisation des transferts hydriques du comportement macroscopique, en utilisant des informations issues de la microstructure. Le passage de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique a été réalisé à l’aide de la méthode d’homogénéisation par prise de moyenne. Une des difficultés de l’utilisation de ce modèle réside dans l’identification des nombreux paramètres caractérisant les propriétés hygrothermiques des matériaux. Une partie du travail a été consacrée à l’évaluation des principales propriétés intrinsèques des matériaux moyennant l’élaboration de différents prototypes expérimentaux au laboratoire. Par ailleurs, une approche expérimentale dédiée à l’évaluation du processus de la thermodiffusion dans les matériaux poreux a été entreprise. Pour cela, une expérimentation relative à la détermination de l’effet du gradient de température et de la dynamique du processus d’échange d’eau à l’intérieur des parois a été mise en place au laboratoire. L’utilisation de la plateforme expérimentale MegaCup du Technical University of Denmark a permis de collecter des données relatives à la sensibilité de l’effet de la thermodiffusion sur les transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité. Une comparaison des résultats expérimentaux et numériques a ensuite été effectuée. Peu d’écarts ont été relevés. Aussi, une investigation expérimentale portant sur la contribution des infiltrations massiques sur les transferts hydriques dans les matériaux de construction a été réalisée. Moyennant le développement d’un banc d’essai, une caractérisation expérimentale du coefficient d’infiltration d’humidité a été entreprise. Ce dernier est utilisé comme paramètre d’entrée des modèles de simulation numérique. / The purpose of this thesis is to study coupled heat air and moisture transfer in porous building materials. Concerning the modeling part, the interest is to predict the hygrothermal behavior, with a macroscopic model, that incorporates simultaneously the effect of thermodiffusion phenomenon and that of total pressure on the building walls. The input parameters are evaluated experimentally using continuous driving potentials, where the ability to deal with problems of transfer in multilayer materials. In some configurations, it presents the advantage to undertake analytical solution that can be confronted with numerical solutions. Furthermore, a formal justification of balance equations of the developed model was addressed through the use of ascaling approach. Then, the modeling of macroscopic moisture transfer behavior, by implementing information from the microstructure can be refined. The transition of the microscopic to macroscopic scale was performed using the mean field homogenization. One of the difficulties with the use of this model lies in the identification of many parameters characterizing the hygrothermal properties of materials. Therefore, a part of the present work was devoted to the evaluation of the main properties of materials through the development of various experimental prototypes in the laboratory. More over, an experimental approach dedicated to the evaluation of the thermodiffusion process in porous materials has been undertaken. In this way, an experimentation concerning the determination of the temperature gradient and dynamics of water exchange process inside walls has been established. Furthermore, the use of the experimental platform MegaCup at theTechnical University of Denmark has collected data on the sensitivity of the thermodiffusion effect. Subsequently, a comparison of the experimental and the numerical results was performed. Few differences were observed. Otherwise, an experimental investigation on the contribution of the mass infiltration of water transfers in building materials was performed. A characterization of the moisture infiltration coefficient was performed through the development of the experimental test. This coefficient was used as an input parameter in the simulation models.

Les activités de recherche qui ont été développées s'inscrivent dans une logique d'amélioration de la modélisation/simulation des fluides denses multiconstituants non réactifs, aussi bien d'un point de vue statique que dynamique, en utilisant une démarche de type échelle microscopique vers échelle macroscopique (bottom-up). Un accent tout particulier à été mis sur l'étude des fluides d'intérêt pétrolier dans des conditions de gisement et ce par le biais de simulations numériques de la dynamique moléculaire classique (DM).<br />Les premiers travaux réalisés ont porté essentiellement sur la simulation numérique de la DM appliquée à l'étude de la thermodiffusion, ou effet Soret, en fluide libre et en milieu poreux. De ce travail est notamment ressortit que le confinement géométrique n'affecte pas le facteur de thermodiffusion et que l'effet Soret dans les mélanges d'alcanes est principalement du à un effet de masse.<br />Dans l'optique mentionnée dans l'introduction, trois thèmes ont été ensuite abordés. Deux thèmes ont trait à la dynamique moléculaire classique, l'un concernant l'influence de la description des interactions sur les propriétés thermophysiques dans les fluides et l'autre la simulation/modélisation de propriétés de transport du fluide de Lennard-Jones et son application aux corps réels. En particulier il a été montré qu'un état correspondant existait entre les potentiels de type Mie et Exponentiel au niveau des propriétés de transport et que Lennard-Jones (LJ) était un bon compromis pour les corps simples. De même ont été développées des corrélations basées sur le fluide de LJ permettant d'estimer les propriétés de transport. Cette approche s'est avérée particulièrement efficace quant à l'estimation de la viscosité des gaz acides (H2S, CO2). Le troisième thème concerne la modélisation macroscopique de la dynamique de fluides multiconstituants en milieux poreux pour lequel une approche de type équation Darcy généralisée par espèce a été proposée. <br />Les activités en cours concernent la prédiction/modélisation de fluides plus complexes avec ou sans interfaces mais également des aspects liés aux simulations multi-échelles/multi-physiques au travers d'un couplage direct entre mécanique des fluides numérique et DM. En particulier à été proposée une approche permettant l'étude de la thermogravitation dans les gisements par simulation moléculaire.

Diese Arbeit stützt sich auf die theoretische und experimentelle Untersuchung der Thermodiffusion im Magnetfeld. Bei magnetischen Flüssigkeiten als kolloidalen Suspensionen versteht man unter der Thermodiffusion einen durch einen Temperaturgradienten angestoßenen unidirektionalen Partikeltransport, der zur Separation des Fluids führt. Beschrieben wird die Thermodiffusion theoretisch über das Konzentrationsprofil der Partikel in Abhängigkeit von Zeit und Ort in einer Fluidschicht. Die Experimente detektieren die Separation des Fluids über die Konzentrationsdifferenz zwischen zwei Fluidkammern. Die Bestimmung des Soret-Koeffizienten erfolgt über einen Datenfit zwischen experimentellen und theoretischen Daten. Für das kerosinbasierte Ferrofluid EMG905 wurden zwei Effekte festgestellt. Bei kleinen Magnetfeldstärken wandern die Partikel zum kalten Rand der Schicht (ST>0), bei steigenden Feldstärken kehrt sich diese Richtung um (ST<0). Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Thermodiffusion gehen dann in eine lineare Stabilitätsanalyse einer Ferrofluidschicht bei anliegendem Temperaturgradienten und Magnetfeld ein. Dabei wird festgestellt, dass die kritische Rayleigh-Zahl als charakteristische Größe zum Einsetzen von Konvektion von dem Soret-Koeffizienten abhängt. Ist letzterer positiv, wird das Einsetzen von Konvektion begünstigt, ist er wiederum negativ, so kann Konvektion vollständig unterdrückt werden.

Diese Arbeit stützt sich auf die theoretische und experimentelle Untersuchung der Thermodiffusion im Magnetfeld. Bei magnetischen Flüssigkeiten als kolloidalen Suspensionen versteht man unter der Thermodiffusion einen durch einen Temperaturgradienten angestoßenen unidirektionalen Partikeltransport, der zur Separation des Fluids führt. Beschrieben wird die Thermodiffusion theoretisch über das Konzentrationsprofil der Partikel in Abhängigkeit von Zeit und Ort in einer Fluidschicht. Die Experimente detektieren die Separation des Fluids über die Konzentrationsdifferenz zwischen zwei Fluidkammern. Die Bestimmung des Soret-Koeffizienten erfolgt über einen Datenfit zwischen experimentellen und theoretischen Daten. Für das kerosinbasierte Ferrofluid EMG905 wurden zwei Effekte festgestellt. Bei kleinen Magnetfeldstärken wandern die Partikel zum kalten Rand der Schicht (ST>0), bei steigenden Feldstärken kehrt sich diese Richtung um (ST<0). Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Thermodiffusion gehen dann in eine lineare Stabilitätsanalyse einer Ferrofluidschicht bei anliegendem Temperaturgradienten und Magnetfeld ein. Dabei wird festgestellt, dass die kritische Rayleigh-Zahl als charakteristische Größe zum Einsetzen von Konvektion von dem Soret-Koeffizienten abhängt. Ist letzterer positiv, wird das Einsetzen von Konvektion begünstigt, ist er wiederum negativ, so kann Konvektion vollständig unterdrückt werden.

Nous proposons une étude analytique et numérique de l'influence de la conductivité thermique et de l'épaisseur des parois, qui délimitent une cellule rectangulaire horizontale, sur la séparation thermogravitationnelle des constituants d'un mélange binaire. Cette problématique est d'une grande importance pour ce qui est de la séparation des espèces par diffusion thermogravitationnelle. En effet, l'épaisseur de la couche fluide dans une colonne verticale conduisant à la séparation optimale est inférieure au millimètre pour les mélanges binaires étudiés et l'épaisseur des parois utilisées est de l'ordre de deux millimètres ou plus. En outre, la conductivité thermique des parois est généralement différente de la conductivité thermique de la couche poreuse saturée. Nous considérons une cellule horizontale de grande extension longitudinale remplie d'un milieu poreux saturé par un mélange binaire délimité par deux parois de même épaisseur et de même conductivité thermique. Les surfaces extérieures de ces parois sont soumises à un flux de chaleur constant. Nous étudions la stabilité linéaire de la solution d'équilibre et de la solution monocellulaire. La solution d'équilibre trouvée perd sa stabilité via une bifurcation stationnaire ou une bifurcation de Hopf compte tenu des valeurs des paramètres adimensionnels considérés. Pour des facteurs de séparations ψ tels que ψ ≥ ψmon0, les paramètres critiques associés à la transition entre la solution d'équilibre et l'écoulement convectif monocellulaire sont Racs = 12(1+2dδ)/ [1 + ψ(2Le dδ + Le + 1)] et kcs = 0 représentant respectivement le nombre de Rayleigh critique et le nombre d'onde critique avec : Le le nombre de Lewis, δ le rapport de l'épaisseur des parois sur l'épaisseur de la couche poreuse et d le rapport de leur conductivité thermique respective. Un très bon accord est trouvé entre les valeurs critiques obtenues analytiquement et celles obtenues par la méthode spectrale Tau. Nous montrons dans ce travail que la séparation des espèces d'une solution binaire dépend fortement de d et δ pour des valeurs du nombre de Rayleigh supérieures au nombre de Rayleigh conduisant à la séparation maximale. Il ressort également de cette étude que la séparation est sous-estimée lorsqu'on ne prend pas en compte l'effet des caractéristiques thermiques des parois. Les résultats analytiques et numériques obtenus sont en bon accord. Dans la dernière partie de la thèse, nous présentons des travaux expérimentaux portant sur la séparation dans les nanofluides à base de nanotubes de carbone.