Condensation in fractured porous media : Full-field measurements and contribution to numerical modelling

Condensation dans les milieux poreux fracturés : mesures en plein champ et contribution à la modélisation numérique L'étude du changement de phase dans les processus d'écoulement diphasique dans les milieux poreux reste relativement sous-explorée en raison du fort couplage entre le transfert de chaleur et de masse, ainsi que de l'hétérogénéité du milieu. Pourtant, la condensation dans les milieux poreux est essentielle dans des domaines tels que l'élimination de la contamination souterraine, l'intégrité des réservoirs géothermiques, la durabilité des structures en béton, la récupération de gaz à la vapeur, et la condensation dans les tissus poreux et les isolants. Cette étude vise à approfondir ce sujet à travers des tomographies rapides aux neutrons lors d'expériences d'injection de vapeur, et en introduisant une nouvelle approche numérique pour modéliser le processus.L'identification et la quantification de l'eau sont réalisées via une imagerie rapide in situ en 3D aux neutrons, avec des tomographies toutes les 30 secondes. Cette haute résolution temporelle est rendue possible grâce au flux de neutrons de l'Institut Laue-Langevin (ILL) et à l'instrument d'imagerie NeXT. L'expérience in situ implique l'injection d'un mélange d'air et de vapeur d'eau à débit constant dans des échantillons de grès de Fontainebleau. Des tomographies rapides aux neutrons sont acquises pour observer l'évolution de la teneur en eau et du processus de condensation. Une tomographie aux rayons X et une microtomographie synchrotron sont également effectuées pour extraire la microstructure des fractures et de la matrice poreuse, et comprendre leur impact sur l'accumulation et la migration de l'eau.Les résultats expérimentaux montrent la fiabilité de l'imagerie aux neutrons, confirmée par des mesures cohérentes de la teneur globale en eau. L'eau condensée s'accumule dans les plus petits pores de la matrice, tandis que les fractures servent de voies principales pour la migration de la vapeur et l'absorption capillaire. Les fractures ralentissent la propagation du front d'eau dans la matrice, entraînant une accumulation d'eau accrue. Dans les échantillons à faible porosité, la capacité limitée d'absorption provoque une accumulation d'eau dans les fractures sous forme de plaques. À des débits plus élevés, la pression d'injection pousse davantage d'eau dans la matrice, laissant les fissures plus sèches.Les données expérimentales ont été utilisées pour calibrer un modèle numérique développé dans OpenFOAM, qui intègre le transfert de chaleur, l'écoulement diphasique et le changement de phase dans les milieux poreux. Bien que simplifié, ce modèle permet d'explorer la condensation dans un éventail plus large de paramètres que les expérimentations. Les résultats indiquent qu'un débit de vapeur plus élevé, une conductivité thermique effective plus faible, et une température d'injection plus élevée conduisent à une accumulation d'eau accrue. De plus, la présence d'une fracture augmente la hauteur du front d'eau et la probabilité de fuite, si l'ouverture de la fracture dépasse un certain seuil.