Transport et transfert dans les milieux poreux

Les recherches menées au sein de cet axe visent à mieux décrire et comprendre le transport de particules, de films liquides ainsi que les transferts de chaleur et de masse dans des milieux poreux.

Transport particulaire au sein d'un milieu granulaire
  1. Transport de colloïdes et bactéries en milieux poreux
  2. Propriétés optomécaniques des interfaces
  3. Transfert de chaleur dans les milieux granulaires en présence d'eau
  4. Transfert de sel au cours du séchage d'un matériau poreux humide et salé

Les éventuelles modifications de la structure de l’espace des pores causées par ces phénomènes (colmatage, modification de la structure d’un sol par la chaleur…) sont également étudiées. Les champs d’applications sont très vastes : stockage de déchets, filtration par des roches, diffusion et mélange granulaire, séchage d’un sol (étude des foyers paléolithiques).

Transport de colloïdes et bactéries en milieux poreux

Les très petites particules peuvent être manipulées au sein d'un milieu poreux par l'optofluidique, en réalisant des pièges de volume nanométrique (J. Emile, O. Emile, 2017). On étudie également la formation des dépôts colloïdaux à l'aide de la microfluidique ; la cinétique de colmatage, qui dépend du degré de confinement, est visualisée par fluorescence et imagerie rapide. On peut ainsi quantifier la résistance hydrodynamique des bouchons qui résultent des agrégats dans diverses conditions hydrodynamiques et physico-chimiques (ANR Collmat, H. Tabuteau, N. Delouche).

Un autre thème de recherche (ERC Reactive Front, collaboration avec Géosciences Rennes) concerne la croissance de bactéries influencée par le type d'écoulement interne au milieu poreux, et également la compétition entre différentes souches d'une même bactérie.

Propriétés optomécaniques des interfaces

La pression de radiation peut déformer des films minces (par ex. films de savon). Des mesures de déformation nanométrique ont été réalisées sur des films de verre, à l'aide d'un interféromètre optique dans l'infrarouge. On envisage ainsi d'utiliser la lumière pour contrôler des films de polymères et aboutir à l'injection de volume de l'ordre du nanolitre.

D'autres études concernent la manipulation d'objets centimétriques et millimétriques flottant sur l'eau par la lumière ordinaire.
 

Transfert de chaleur dans les milieux granulaires en présence d'eau

Les transferts thermiques au sein de milieux granulaires humides sont très affectés par la présence de ménisques d’eau qui jouent le rôle de ponts thermiques entre les grains. Un modèle physique de transfert de chaleur et de masse a été développé spécialement pour un milieu granulaire faiblement humide, constitué de grains quelconques mais dont on doit connaître certaines caractériques de la structure d'empilement. Deux approches numériques sont utilisées : une approche continue classique, se traduisant par un ensemble d'équations aux dérivées partielles (modèle EWGM) et une approche discrète dans laquelle des pores en nombre fini échange entre eux de la matière et de l'énergie.

La préparation d’échantillon de sable humide est rendue extrêmement difficile par la cohésion capillaire. Un mélange par brassage mécanique puis tassement dans le récipient final conduit à de fortes hétérogénéités. La manière que nous privilégions consiste à faire passer de l'air plus ou moins humide à travers le milieu poreux pour contrôler sa saturation.
 

Transfert de sel au cours du séchage d'un matériau poreux humide et salé

La remontée vers la surface du sel est étudiée à partir d’un état faiblement humide, et non alimenté par une nappe continue comme dans beaucoup de travaux. Au cours du séchage, cette remontée s’effectue de manière importante et conduit à des effets de seuil : la concentration en sel au sein du matériau subit une discontinuité très nette. On explique le transfert du sel au cours du séchage par un effet de mèche, rendu possible par un gonflement du sel lors de sa cristallisation rapide.
 

Échantillon de sable salé après séchage - L’état initial est un sable saturé à 20 % par de l’eau salé avec de la fluorescéine. Lors du séchage, on obtient un gradient de sel sur l’ensemble de l’échantillon allant du moins concentré à la base (orange) au plus concentré en haut (marron). La couche supérieure, d’environ 2 mm (zone limitée par les flèches) et beaucoup plus contrastée et foncée que le reste de l’échantillon, contient six à sept fois plus de sel qu’à la base. - © É. Canot