Miriam Patricia ORTEGA RAMíREZ

Sources et flux de matières / soutenue le 19 juillet 2019

Analysis of soils structural and transfer properties using pore scale imaging and numerical modeling

directeur de thèse : Laurent Oxarango

The understanding of the behavior of a fluid through the soil, plays an important role in environmental and engineering process such as : the application of contaminants or agrochemicals in the soil, the underground storage of contaminants or waste disposal, soil remediation, soil improvement based on microbiological activity. In recent years, numerous models have been developed attempting to simulate this behavior. However, as they may be considered as a tool to improve decisions on environmental regulatory issue, we must improve these models in the sense that they must be sufficiently tested and contain a comprehensive understanding of the soil. Recent advance in X-ray micro-CT (Computed Tomography) offers a major improvement concerning the analysis of pore scale phenomenon occurring in soils during water flow and solute transport. My PhD project aims at developing new methodologies to investigate soil properties and transfer processes behavior :

In a first phase I chose the software GeoDict to provide me the velocity field for a given 3D image obtained via a CT scan of a sand sample. Using this software, and software developed by the PROTINUS team, an exhaustive characterization of the geometrical and flux properties was done. This phase included an internship at UNAM (México) working with Dr. Alfonso Gastelum and Dra. Blanca Prado, collaborating members of the PROTINUS project.

In a second phase the specific case of bacteria transport in the pore volume will be addressed. I will use the local stationary velocity fields to compute the Lagrangian transport. Results from this model will be compared with a parallel research (done by a Posdoc researcher) on bacteria transport in the same sand with a experimental approach.

As a third phase, the direct numerical simulation of solute reactive transport will be addressed. A numerical model based on the Volume of Fluid approach will be modified to deal with the specific heterogeneous boundary condition associated with the bacteria collection on the grain surfaces.

This project aims at gathering existing numerical tools and creating new ones in order to develop a coherent software package suitable for comparing various type of soils. In the preliminary phase, the existing data-base of x-ray CT images of soils obtained at LTHE from 2015 will be used. These first samples will progressively be included in a data-base (created in the project H2020 PROTINUS) including samples studied at the micro-CT facility at Grenoble University, UNAM (México City, México) and at Kumamoto University (Japan).

This PhD program will also have a significant interaction with the FUI project BOREAL (2014-2018). The second part of the project, focusing on transfer processes, my research will be fed by experimental campaigns of micro-CT analysis coupled with classical column transfer experiments. A strong interaction is planed between the present project and this experimental project that started in November 2014. This interaction will allow me and the experimentalists to develop a Theory/Experiment approach which is very relevant for studies in the field of environmental science.

Résumé :

Les transferts de fluide et de soluté en milieux poreux présentent de
nombreuses applications dans des contextes environnementaux ou
industriels. Ils sont classiquement décrits par des équations
macroscopiques faisant intervenir des propriétés effectives telles que la
perméabilité ou la dispersivité. Ces propriétés dépendent fortement de la
structure géométrique complexe du réseau de pores qui permet le mouvement
du fluide. La micro-tomographie à rayon X a récemment permis d’accéder à
une représentation tri-dimensionnelle réaliste de la structure interne de
ces milieux. Les images produites permettent d’estimer les propriétés
morphologiques du milieu poreux mais aussi les propriétés de transport à
partir de simulations numériques directes.
Le travail réalisé dans cette thèse constitue une contribution à l’état de
l’art dans ce domaine. Une attention particulière est portée à l’effet de
la résolution spatiale de la tomographie sur la qualité de l’estimation
des propriétés morphologiques et de transport. Un ensemble de méthodes
numériques pertinentes a été sélectionné, développée et mis en oeuvre afin
de pouvoir calculer la porosité, la surface spécifique, la distribution de
taille de pore, la perméabilité et la dispersivité du milieu sur des
volumes représentatifs du matériau. Ces travaux se sont concentrés sur
l’étude d’un sable réel et d’un empilement virtuel de sphères à
différentes résolutions. Ils ont permis de definir un critère de qualité
basé sur le rapport entre des grandeurs caractéristiques des grains et la
taille des voxels de l’image. Ce critère permet de déterminer a priori si
une image de milieu granulaire est adaptée au calcul de perméabilité et de
dispersivité par simulation numérique des équations de Stokes et
d’advection-diffusion (ADE). Bien que l’ADE utilise le champs de vitesse
du fluide, il s’est avéré qu’elle présente un comportement plus robuste
que le calcul d’écoulement.\

Jury :

– Azita Ahmadi-Sénichault (Professeur des Universités, ENSAM / I2M
Bordeaux), rapporteur
– Laurent Lassabatères (Ingénieur TPE HDR, ENTPE/LEHNA Lyon), rapporteur
– Éric Vincens (Professeur des Universités, École Centrale / LTDS Lyon), examinateur
– Céline Duwig (CR IRD HDR, IGE Grenoble), examinateur
– Laurent Oxarango (Professeur des Universités, UGA / IGE Grenoble), encadrant