Modélisation d'écoulement de fluide en milieu poreux hétérogène et application en optimisation topologique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Fluid flow modelling in heterogeneous porous media and application in topological optimization

Modélisation d'écoulement de fluide en milieu poreux hétérogène et application en optimisation topologique

Résumé

In this thesis, I am interested in the modelling of a fluid flow in a heterogeneous porous medium with an application in topological optimization. As the flow takes place in areas with and without porous material and the topological optimization modify these areas, spatial heterogeneity is present. In this thesis, I propose a flow model that shows porosity gradients to account for this spatial heterogeneity. The proposed model is obtained using a volume averaging technique and differs from those in the literature in the terms it contains. The reproduction of experimental results and numerical simulations from the literature shows that the numerical solution method implemented in OpenFoam works well. The application cases used are the porous plug and the channelling phenomenon. I choose porosity as a physical quantity dependent on the optimization variable. It is the permeability that is usually chosen in the literature, it is calculated in this thesis by the porosity value with a Kozeny-Carman equation. The objective function used is the pressure drop. The optimization approach allows reproducing the optimized shapes from the literature and to penalize the flow velocity when a porous material close to a solid is used. I show in this thesis the impact of several parameters on the operation of the optimization algorithm: the writing of the flow model, the terms with a porosity gradient, the permeability, the porosity and the effective mean grain diameter. Thus, the optimized shapes composed of a distribution of porous material are influenced by these different parameters.
Je m’intéresse dans cette thèse à la modélisation d’un écoulement de fluide en milieu poreux hétérogène avec une application en optimisation topologique. L’écoulement s’effectuant dans les zones avec et sans matière poreuse et l’optimisation topologique modifiant ces zones, une hétérogénéité spatiale est donc présente. Dans cette thèse, je propose un modèle d’écoulement qui fait apparaître les gradients de porosité pour tenir compte de cette hétérogénéité spatiale. Le modèle proposé s’obtient avec une technique de prise de moyenne volumique et se différencie de ceux de la littérature par les termes qui s’y trouvent. La reproduction de résultats expérimentaux et de simulations numériques de la littérature montre un bon fonctionnement de la méthode de résolution numérique mise en œuvre sur OpenFoam. Les cas d’applications utilisés sont ceux du bouchon poreux et du phénomène de channelling. Je choisis la porosité en tant que quantité physique dépendante de la variable d’optimisation. C’est la perméabilité qui est habituellement choisie dans la littérature, elle est calculée dans cette thèse par la valeur de la porosité avec une équation de Kozeny-Carman. La fonction objectif utilisée porte sur les pertes de charge. L’approche d’optimisation permet de reproduire les formes optimisées de la littérature et de pénaliser la vitesse de l’écoulement quand une matière poreuse proche d’un solide est utilisée. Je montre dans cette thèse l’impact de plusieurs paramètres sur le fonctionnement de l’algorithme d’optimisation : l’écriture du modèle d’écoulement, les termes avec un gradient de porosité, la perméabilité, la porosité et le diamètre moyen effectif des grains. Ainsi, les formes optimisées composées d’une répartition de matière poreuse sont influencées par ces différents paramètres.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04047535 , version 1 (27-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04047535 , version 1

Citer

Mickaël Rakotobe. Modélisation d'écoulement de fluide en milieu poreux hétérogène et application en optimisation topologique. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université de la Réunion, 2022. Français. ⟨NNT : 2022LARE0023⟩. ⟨tel-04047535⟩
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