Modélisation des écoulements diphasiques à l'échelle de pores dans des milieux déformantes à l'aide de méthodes particulaires (SPH)

Cette thèse vise à améliorer la compréhension des phénomènes de transfert de gaz importants pour la sûreté d’un stockage de déchets nucléaires géologique localisé dans une couche d’argilite peu perméable et saturée en eau. Pendant la durée de vie d’une telle installation, qui est de l’ordre de plusieurs centaines de milliers d’années, une importante production d’hydrogène est attendue à l’intérieur du stockage surtout liée à la corrosion anaérobique des éléments métalliques (colis, chemisages et soutènement). Pour pouvoir décrire la migration de gaz dans et autour du stockage, il est déterminant de disposer des lois de transferts, pertinentes à l’échelle macroscopique et en même temps cohérentes avec les mécanismes de transfert de gaz à l’échelle des pores.

Dans l’état de l’art actuel de ce type d’écoulements diphasiques sont modélisés comme des écoulements visco-capillaires dans des milieux poreux indéformables. Cependant des évidences expérimentales indiquent que la percolation de la phase gazeuse à travers les pores saturés des argilites a lieu à travers des chemins préférentiels s’accompagnant localement d’une dilatation de l’espace porale.

Afin de représenter ce couplage hydromécanique à l’échelle des pores, la thèse s’appuiera sur un code de simulation basé sur la méthode SPH (Smoothed Particles Hydrodynamics) en développement à l’IRSN. Le code permet de résoudre dans un même formalisme SPH, pour une maquette tridimensionnelle d’un milieu poreux, l’équation de Navier-Stokes pour l’écoulement diphasique en tenant compte de la tension de surface et de la capillarité, ainsi que de traiter les phases solide élastique (matrice argileuse) et solide rigide (inclusions carbonatées ou silicatées). En plus, il permet aussi d’étudier les transformations morphologiques (fracturation) de la phase solide élastique par introduction des lois d’endommagement.

Le travail de thèse comprendra plusieurs étapes. Premièrement le comportement de la méthode SPH vis-à-vis de différentes lois d’endommagement va être testé afin de choisir celle qui sera le mieux adaptée pour l’application aux argilites. Ensuite un modèle représentatif du milieu argileux sera construit, dont les phases présentes seront paramétrées en cohérence avec leurs propriétés physiques. Il s’agira de tenter de reproduire en termes de contrainte, déformation et pression, des résultats expérimentaux présents dans la littérature. Enfin, la dernière partie consistera à proposer et implémenter un modèle d’échange de masse entre les phases afin de prendre en compte les phénomènes de dissolution et évaporation à l’interface liquide-gaz.