Dispersion in unsaturated porous media

Dispersion en milieux poreux insaturés L'activité humaine a un impact significatif sur la vadose, une zone située au-dessus des nappes phréatiques, qui n'est que partiellement saturée en eau. La vadose peut être polluée par les activités agricoles ou industrielles, ce qui constitue une menace pour les ressources en eau. De plus, la saturation varie considérablement, notamment en raison des sécheresses plus fréquentes dues au changement climatique. Prévoir le transport de contaminants en milieux insaturées est donc essentiel. Cependant, la compréhension de la dispersion dans les milieux poreux insaturés reste limitée, en raison de l'interaction complexe des flux multiphasiques non miscibles avec le milieu poreux. Les modèles traditionnels tels que le modèle Fickien, décrit par l'équation d'Advection-Diffusion, ne parviennent pas à rendre compte avec précision de la dispersion dans les milieux poreux insaturés. L'objectif est d'aborder la question du transport dans les milieux poreux insaturés en identifiant les propriétés pertinentes à l'échelle du pore pour comprendre la dispersion à plus grande échelle. Il s'agit notamment de déterminer si la dispersion est fickienne ou non-fickienne, ce qui est crucial pour prédire la propagation des polluants. Une double approche est adoptée : des expériences de transport à l'échelle du pore et des simulations de Lattice Boltzmann. La visualisation directe des fluides dans les milieux poreux est un défi. Nous utilisons donc des micromodèles, réseaux poreux transparents interconnectés, pour permettre la visualisation optique à l'échelle du pore. Tout d'abord, un dispositif expérimental micromodèle a été établi et optimisé pour étudier l'écoulement et le transport multiphasiques. Des méthodes d'analyse ont été développées, ainsi que des techniques de caractérisation de la dispersion par l'analyse des moments spatiaux. Une première série d'expériences mène à des résultats préliminaires, l'évolution de la saturation et des distributions de phases avec le nombre capillaire a été caractérisée. Les expériences de transport réalisées pour toute la gamme de saturation montrent que la dispersion augmente à mesure que la saturation diminue. Cependant, l'analyse des faibles saturations s'est avérée difficile en raison de l'augmentation significative de la dispersion et des limites imposées par la taille du micromodèle, empêchant l'étude de la dispersion à long terme. Pour surmonter cette limitation, des simulations Lattice-Boltzmann ont été utilisées pour l'écoulement et le transport, car elles sont flexibles en taille et seulement limitées par le temps de calcul. Toutefois, simuler la distribution de deux phases après un écoulement multiphasique dans un milieu poreux complexe reste un défi. Générer des images à grande échelle de milieux poreux insaturés à partir de données expérimentales s'est donc avéré nécessaire pour observer la dispersion à temps long. Un algorithme de statistique multipoints (MPS) a été utilisé pour générer à la fois des images de milieux poreux non saturés plus larges et un grand ensemble de d'images plus petites pour augmenter la signification statistique de l'étude. Des simulations d'écoulement et de transport ont été réalisées sur l'ensemble des images générées afin d'explorer l'influence de la saturation sur l'écoulement et le transport. Cette étude révèle que la diminution de la saturation augmente de manière significative l'hétérogénéité de l'écoulement, ce qui entraîne une dispersion accrue. Notamment, la nature non fickienne de l'écoulement tend à être plus prononcée à faible saturation. De plus, la transition d'un transport fickien à un transport non fickien dépend du nombre de Peclet. Il existe une compétition entre l'advection et la diffusion dans des conditions saturées, ce qui entraîne un régime Fickien diffusif pour les faibles nombres de Peclet. Cependant, le transport en conditions non saturées est principalement advectif, même à faible nombre de Peclet, et présente donc un comportement non Fickien.