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Theses Year : 2021

Capillary Effects on Fluid Transport in Granular Media

Effets capillaires sur le transport des fluides dans les milieux granulaires

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Zhongzheng Wang

Abstract

Fluid transport phenomena in granular media are of great importance due to various natural and industrial applications, including CO2 sequestration, enhanced oil recovery, remediation of contamination, and water infiltration into soil. Although numerous studies exist in the literature with aims to understand how fluid properties and flow conditions impact the transport process, some key mechanisms at microscale are often not considered due to simplifications of physical phenomenon and geometry, limited computational resources, or limited temporal/spacial resolution of existing imaging techniques.In this Thesis, we investigate fluid transport phenomena in granular media with a focus on the capillary effects. We move from relatively simple scenario on patterned surfaces to more complex granular media, tackling a variety of liquid-transport related problems that all have extensive industrial applications. The bulk of this Thesis is composed of six published or submitted papers. Each chapter is prefaced by an introductory section presenting the motivation for the corresponding paper and its context within the greater body of work.In order to explain the characteristics of fluid transport in porous media observed at macroscopic scale, physical mechanisms at micro and pore scale must be understood. When liquid comes into contact with rough grains with irregular shapes, depending on surface feature and liquid properties, the liquid may progressively fill the grooves of the surface, or get pinned at sharp corners, which consequently results in deviation of the effective contact angle from the intrinsic one. These phenomena occurring at nano/micro-scale are captured and incorporated into the pore-network model and lattice Boltzmann method to investigate multiphase displacement process. At pore scale, by considering different invasion instability modes, we study the collective impact of contact angles and pore geometry by numerical simulation, unifying the effects of wettability and topological disorder of porous media. At macroscopic scale, the influence of capillary forces from liquid bridges on the packing structure of wet granular assembly is experimentally studied. A model is proposed based on energy balance to predict the resulting packing fraction, which is validated by results from experiments and past literature. Finally, drying experiments are conducted to investigate the evolution of liquid distribution and solid structure during evaporation process.This Thesis reveals the impact of some previously neglected physical phenomena at microscale on the fluid transport in granular materials, providing new insights and methodology for describing and modelling fluid transport process in porous media.
Les phénomènes de transport des fluides dans les milieux granulaires sont d'une grande importance en raison de diverses applications naturelles et industrielles, notamment la séquestration du CO2, la récupération améliorée du pétrole, la décontamination et l'infiltration d'eau dans le sol. Bien que de nombreuses études existent dans la littérature dans le but de comprendre comment les propriétés des fluides et les conditions d'écoulement affectent le processus de transport, certains mécanismes clés à micro-échelle ne sont souvent pas pris en compte en raison de simplifications du phénomène physique et de la géométrie, des ressources de calcul limitées ou de la résolution temporelle/spatiale limitée. des techniques d'imagerie existantes. Dans cette thèse, nous étudions les phénomènes de transport des fluides dans les milieux granulaires en mettant l'accent sur les effets capillaires. Nous passons d'un scénario relativement simple sur des surfaces à motifs à des supports granulaires plus complexes, abordant une variété de problèmes liés au transport de liquides qui ont tous des applications industrielles étendues. La majeure partie de cette thèse est composée de six articles publiés ou soumis. Chaque chapitre est préfacé par une section d'introduction présentant la motivation de l'article correspondant et son contexte dans l'ensemble du travail. Afin d'expliquer les caractéristiques du transport des fluides dans les milieux poreux observés à l'échelle macroscopique, les mécanismes physiques à l'échelle micro et poreuse doivent être compris. Lorsque le liquide entre en contact avec des grains rugueux de formes irrégulières, en fonction de la caractéristique de la surface et des propriétés du liquide, le liquide peut progressivement remplir les rainures de la surface ou se coincer dans des angles vifs, ce qui entraîne par conséquent une déviation de l'angle de contact effectif par rapport au intrinsèque. Ces phénomènes se produisant à l'échelle nano/micro sont capturés et incorporés dans le modèle de réseau de pores et la méthode de Boltzmann en réseau pour étudier le processus de déplacement multiphasique. A l'échelle des pores, en considérant différents modes d'instabilité d'invasion, nous étudions l'impact collectif des angles de contact et de la géométrie des pores par simulation numérique, unifiant les effets de mouillabilité et de désordre topologique des milieux poreux. A l'échelle macroscopique, l'influence des forces capillaires des ponts liquides sur la structure de garnissage des assemblages granulaires humides est étudiée expérimentalement. Un modèle est proposé basé sur le bilan énergétique pour prédire la fraction de tassement résultante, qui est validé par les résultats des expériences et de la littérature antérieure. Enfin, des expériences de séchage sont menées pour étudier l'évolution de la distribution du liquide et de la structure solide au cours du processus d'évaporation. Cette thèse révèle l'impact de certains phénomènes physiques auparavant négligés à l'échelle microscopique sur le transport des fluides dans les matériaux granulaires, fournissant de nouvelles perspectives et méthodologies pour décrire et modéliser le processus de transport des fluides dans les milieux poreux.
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Dates and versions

tel-03583905 , version 1 (22-02-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03583905 , version 1

Cite

Zhongzheng Wang. Capillary Effects on Fluid Transport in Granular Media. Géotechnique. École des Ponts ParisTech, 2021. English. ⟨NNT : 2021ENPC0036⟩. ⟨tel-03583905⟩
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