Theoretical and experimental study of fluid transport in miscible Hele-Shaw cell

Dans cette thèse, nous avons étudié expérimentalement, numériquement et théoriquement la sédimentation d’un soluté en cellule de Hele-Shaw, modèle analogue de milieu poreux, avec un écoulement zonal horizontal. Une cellule, alimentée par deux grands réservoirs assurant un écoulement zonal uniforme, a été réalisée au laboratoire. La vitesse a été mesurée par PIV. L’injection d’une solution saline dans cet écoulement permet de visualiser la propagation du panache de pollution, et de mesurer le champ de concentration par LIF. Trois configurations typiques ont été observées : panache sans digitation (« stable »), avec une seule digitation (« faiblement instable »), et avec de nombreuses digitations (« fortement instable »). L’influence du contraste de densité, de la vitesse zonale, et du débit d’injection sur la stabilité du panache a été analysée. Ces résultats ont été comparés à des simulations numériques sous COMSOL Multiphysics®. Les champs de concentration simulés sont en accord quantitatif avec les champs expérimentaux. Ces simulations ont de plus permis d’étudier l’influence de l’anisotropie du tenseur de dispersion sur la stabilité du panache. Une étude théorique linéaire, effectuée à partir d’un écoulement de base unidirectionnel et quasi-stationnaire, est venue compléter ces résultats. Elle montre que le panache est toujours convectivement instable pour les valeurs des paramètres considérées, et permet de retrouver et de quantifier les principaux résultats mis en évidence lors des études expérimentale et numérique, comme l’effet stabilisant de la dispersivité longitudinale ou l’effet déstabilisant du contraste de densitéThis thesis is an experimental and numerical investigation of solute transport and sedimentation in a Hele-Shaw cell with zonal flow. A vertical cell joining two large tanks has been built to provide a uniform horizontal flow, the velocity of which has been measured by using PIV. The concentration field of a solute injected in this flow has been measured by using LIF. Three typical plume configurations have been observed: without digitations (“stable”), with a single digitation (“weakly unstable”), and with various digitations appearing at the lower interface (“unstable plume”). The influence of density contrast, zonal flow and solute flow rate on the appearance of the various configurations has been investigated. These results have been compared to numerical simulations using the COMSOL Multiphysics® software. The numerical concentration fields are in qualitative agreement with the experimental ones. In addition, these simulations allowed us to investigate the effect of the anisotropy of the dispersion tensor on the occurrence of unstable configurations. A linear stability analysis based on a uniform parallel flow superposed to a quasi-steady horizontal layer of solute has been performed. It shows that the plume is convectively unstable for the parameters considered here, and confirms the various behaviors observed in both the experimental and the numerical analyses, like the stabilizing effect of the longitudinal dispersivity or the destabilizing effect of the solute concentratio