Déterminations théorique et expérimentale des coefficients de diffusion et de thermodiffusion en milieu poreux

The impact of thermal gradients on material transfer in porous media is still poorly understood, mainly due to the complexity of coupled phenomena such as thermodiffusion and the Soret effect. The aim of this thesis is to study and understand the influence that a thermal gradient can have on the flow of a mixture. The main objective is to determine the effective coefficients modeling heat and matter transfer in porous media, and in particular the effective thermodiffusion coefficient. Using the volume-averaged scaling technique, we have developed a macroscopic dispersion model including thermodiffusion. In particular, we studied the influence of Peclet number and thermal conductivity on thermodiffusion. The results show that for low Péclet numbers, the effective Soret number in porous media is the same as in free media, and does not depend on the thermal conductivity ratio (solid/liquid). Conversely, under convective conditions, the effective Soret number decreases. In this case, a change in the conductivity ratio will change the effective thermodiffusion coefficient. Theoretical results have also shown that, during pure diffusion, even if the effective thermal conductivity depends on the connectivity of the solid phase, the effective thermodiffusion coefficient is always constant and independent of the connectivity of the solid phase. The macroscopic model obtained by this method is validated by comparison with direct numerical simulations at the pore scale. Good agreement is observed between theoretical predictions from the macroscopic scale study and numerical simulations at the pore scale. This demonstrates the validity of the proposed theoretical model. To verify and consolidate these results, an experimental setup was set up to measure transfer coefficients in free and porous media. In this section, the new experimental results are obtained using a two-bulb apparatus. Diffusion and thermodiffusion of helium-nitrogen and helium-carbon dioxide binary systems, through cylindrical samples filled with beads of different diameters and thermal properties, are measured at atmospheric pressure. The porosity of each medium was determined by constructing a 3D tomographic image of the sample. Concentrations are determined by continuously analyzing the composition of the gas mixture in the ampoules using a catharometer. Diffusion and thermodiffusion coefficients are determined by comparing temporal readings of concentrations with an analytical solution modeling material transfer between two ampoules. The results are in agreement with the theoretical ones. This confirms the influence of porosity on diffusion and thermodiffusion mechanisms.Les conséquences liées à la présence de gradients thermiques sur le transfert de matière en milieu poreux sont encore aujourd’hui mal appréhendées, essentiellement en raison de la complexité induite par la présence de phénomènes couplés (thermodiffusion ou effet Soret). Le but de cette thèse est d’étudier et de comprendre l’influence que peut avoir un gradient thermique sur l’écoulement d’un mélange. L’objectif principal est de déterminer les coefficients effectifs modélisant les transferts de chaleur et de matière en milieux poreux, et en particulier le coefficient de thermodiffusion effectif. En utilisant la technique de changement d’échelle par prise de moyenne volumique nous avons développé un modèle macroscopique de dispersion incluant la thermodiffusion. Nous avons étudié en particulier l'influence du nombre de Péclet et de la conductivité thermique sur la thermodiffusion. Les résultats ont montré que pour de faibles nombres de Péclet, le nombre de Soret effectif en milieu poreux est le même que dans un milieu libre, et ne dépend pas du ratio de la conductivité thermique (solide/liquide). À l'inverse, en régime convectif, le nombre de Soret effectif diminue. Dans ce cas, un changement du ratio de conductivité changera le coefficient de thermodiffusion effectif. Les résultats théoriques ont montré également que, lors de la diffusion pure, même si la conductivité thermique effective dépend de la connectivité de la phase solide, le coefficient effectif de thermodiffusion est toujours constant et indépendant de la connectivité de la phase solide. Le modèle macroscopique obtenu par cette méthode est validé par comparaison avec des simulations numériques directes à l'échelle des pores. Un bon accord est observé entre les prédictions théoriques provenant de l'étude à l’échelle macroscopique et des simulations numériques au niveau de l’échelle de pores. Ceci démontre la validité du modèle théorique proposé. Pour vérifier et consolider ces résultats, un dispositif expérimental a été réalisé pour mesurer les coefficients de transfert en milieu libre et en milieu poreux. Dans cette partie, les nouveaux résultats expérimentaux sont obtenus avec un système du type « Two-Bulb apparatus ». La diffusion et la thermodiffusion des systèmes binaire hélium-azote et hélium-dioxide de carbone, à travers des échantillons cylindriques remplis de billes de différents diamètres et propriétés thermiques, sont mesurées à la pression atmosphérique. La porosité de chaque milieu a été déterminée par la construction d'une image 3D de l'échantillon par tomographie. Les concentrations sont déterminées par l'analyse en continu de la composition du mélange de gaz dans les ampoules à l’aide d’un catharomètre. La détermination des coefficients de diffusion et de thermodiffusion est réalisée par confrontation des relevés temporels des concentrations avec une solution analytique modélisant le transfert de matière entre deux ampoules. Les résultats sont en accord avec les résultats théoriques. Cela permet de conforter l’influence de la porosité des milieux poreux sur les mécanismes de diffusion et de thermodiffusion