Impact du mélange chaotique à l'échelle du pore sur le transport réactif en milieux poreux

Cette soutenance se tiendra devant un jury composé de :

Rapporteurs
Massimo ROLLE Professeur à Institute of Applied Geosciences, Darmstadt, Allemagne

Yohan DAVIT Chargé de recherche à Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, France

Examinateurs
Marie-Caroline JULLIEN Directrice de recherche à Institut de Physique de Rennes, France

Joaquin JIMENEZ-MARTINEZ Chercheur à Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology, Dübendorf, Suisse

Tomas AQUINO Chercheur à Institute for Environmental Assessment and Water Research, Barcelone, Espagne

Encadrants de thèse
Tanguy LE BORGNE Physicien CNAP à Géoscience Rennes, France

Khalil HANNA Professeur à l'Ecole Nationale Supérieur de Chimie, Rennes, France

Joris HEYMAN Chargé de Recherche à Géosciences Rennes, France

Ce travail de thèse a été rendu possible grâce au soutien de la région Bretagne via le fond ARED pour le projet ICOPT et le European Research Council via projet ReactiveFronts.

Résumé:
Le transport réactif dans les milieux poreux joue un rôle central dans de nombreux processus (ressource en eau, énergie ou environnement).
La modélisation de ces dynamiques s’avère néanmoins complexe du fait de la persistance de gradients de concentration à micro-échelle, principal facteur d’échec des modèles de continuum existants. Bien que de récentes études aient montré la nature chaotique du mélange à l'échelle du pore, la façon dont cela affecte les réactions homogènes et hétérogènes est inconnue. Dans cette thèse, nous développons de nouvelles techniques d'imagerie 3D pour quantifier les dynamiques de mélange à l'échelle du pore et leur impact sur les processus réactifs. Tout d’abord, nous présentons nos méthodes expérimentales, qui comprennent l'ajustement d'indice optique et l'imagerie par fluorescence.
Ensuite, nous montrons grâce à une réaction bimoléculaire générant un soluté fluorescent la manière dont le mélange réactif est contrôlé par les écoulements chaotiques à l'échelle du pore dans des milieux poreux 3D. Nous élargissons par la suite l’étude de nos paramètres par des simulations numériques du mélange réactif dans les écoulements chaotiques. Enfin, nous discutons de méthodes qui pourraient être utilisées pour étudier l'effet du mélange chaotique sur les réactions hétérogènes.
Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour caractériser, modéliser et prédire l'effet du mélange incomplet à l'échelle du pore sur les processus de transport réactif.

Mots clés : Transport réactif, Mélange chaotique, Imagerie 3D, Milieux poreux.

---------------------------
English version:

Title : "Impact of pore-scale chaotic mixing on reactive transport in porous media"

This thesis work has been funded with the support of the European Research Council as part of the project ReactiveFronts, and with the support of the ARED from the region Bretagne for the project ICOPT.

Abstract:
Reactive transport in porous media play a central role in a range of water resources, energy and environmental processes.
A significant challenge in modeling these dynamics lies in the persistence of microscale concentration gradients, pinpointed as the primary factor leading to the failure of existing continuum models.
Although recent advances have shown that the pore scale mixing is chaotic, it is yet not known how it impacts homogeneous (fluid-fluid) and heterogeneous (fluid-solid) reactions. In this thesis, we develop new 3D imaging techniques for quantifying pore scale mixing dynamics and their impact on reactive processes. First, we introduce our experimental methods, which incorporate optical index matching in conjunction with laser-induced fluorescence imaging.
Next, we employ a bimolecular reaction that generates a fluorescent solute to showcase how reactive mixing is controlled by pore-scale chaotic flows within 3D porous media.
We then expand our parameter investigation through numerical simulations of reactive mixing within chaotic flows.
Finally, we discuss different methods that could be used to investigate the effect of chaotic mixing on heterogeneous reactions.
These findings open new perspective to characterize, model and predict the effect of incomplete mixing at the pore scale on reactive transport processes.

Keywords: Reactive transport, Chaotic mixing, 3D imaging, Porous media.