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Thèse Année : 2018

Modelling of suspended particle transport and deposition in saturated porous media

Modélisation du transport et du dépôt de particules en suspension dans un milieu poreux saturé

Enze Ma
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1378580
  • IdRef : 277193850

Résumé

Understanding of particle transport and deposition behavior in porous media is of significant interests in numerous domains, such as subsurface groundwater contamination and soil remediation. In this work, modified models based on the general transport-deposition-reentrainment model are applied to simulating a series column experiments to study the effects of different factors on the particle transport behavior in porous media.For pulse-input injection experiments of artificial latex particle suspension, numerical simulations of experimental data were performed with constant kinetic rate coefficients to characterize the retention and re-entrainment dynamics under different hydrodynamic conditions for monodisperse and polydisperse latex particles (3, 10, 16 μm and the mixture). The results show that drastic increase in fluid velocity provokes hardly any remarkable decrease in retention in the presence of large energy barriers (>2000 kT). Systematical increases in deposition and re-entrainment dynamic rates were observed with fluid velocity and/or particle size. Increased irreversible deposition rate indicates straining and wedging dominate deposition in this study.Excess retention of 3μm particle in the polydisperse particle suspension was observed. The origins are reckoned that deposited larger particles may hinder the reentrainment of smaller particles near the grain-to-grain contact and can provide additional sites of attachment.For step-input injection experiments of natural kaolinite particle suspension, a time-distance-dependent deposition model is built to investigate the effects of hydrodynamic forces on the transport and deposition of polydispersed particles and the evolution of deposition rates with time and distance. Straining and the heterogeneity of the particle population are considered to play important roles in thedecreasing distribution of deposition rates. Numerical simulations were applied in a series of sand column experiments at different fluid velocities for three different porous media. The effects of hydrodynamics forces are elaborated with the systematic variations of deposition dynamic parameters of the proposed model. With retention distributions with particle size as well as temporal and spatial evolutions of deposition rates, the transport and deposition mechanisms of polydispersed particles will be elucidated through the interplay of the variation of the particle size distribution of mobile particle populations and the geometrical change of the porous medium due to retention (straining and blocking).
La compréhension des mécanismes de transport et de dépôt de particules dans les milieux poreux présente un intérêt important dans de nombreux domaines, tels que la contamination des eaux souterraines et l'assainissement des sols. Dans ce travail, des modèles modifiés basés sur le modèle général de transport-dépôt-relargage ont été développés et appliqués à la simulation numérique d'expériences en colonnes de laboratoire. Ces modèles numériques ont permis d’étudier les effets de différents facteurs sur le comportement de transport de particules dans différents milieuxporeux.Des expériences d'injection instantanée de suspension de particules de latex artificiel ont été modélisées dans la première partie de ce travail. Les simulations numériques du modèle de couplage transport-dépôt ont été réalisées avec des coefficients cinétique de dépôt et de relargage constants. Cela a permis de caractériser la dynamique de rétention et de relargage dans différentes conditions hydrodynamiques pour des particules de latex mono-disperses (de diamètre 3, 10 et16 μm) et poly-disperses (mélange des trois populations mono-disperses 3, 10 ou 16 μm).Les résultats montrent qu'une augmentation importante de la vitesse du fluide ne provoque pratiquement aucune diminution notable de la rétention en présence de grandes barrières énergétiques (> 2000 kT). Des augmentations systématiques descoefficients cinétiques de dépôt et de relargage ont été observées avec la vitesse du fluide et/ou la taille des particules. L’augmentation du cinétique de dépôt irréversible indique que le blocage mécanique (straining et wedging) domine le dépôt dans cette étude. Lors de l'injection de la suspension de particules poly-disperses (mélange des trois populations mono-disperses 3, 10 ou 16 μm) une rétention excessive des particules de taille 3 μm a été observée. Cela peut être expliqué par le fait que les particules plus grosses (10 et 16 μm) déposées peuvent gêner le relargage des plus petites particules (3 μm) à proximité du contact grain-grain et peuvent fournir des sites de fixation supplémentaires à ces particules.Dans la seconde partie de ce travail, des expériences d'injection continue de particules de kaolinite naturelles ont été modélisées. Un modèle de dépôt dépendant de la distance de parcours des particules a été développé pour étudier les effets des forces hydrodynamiques sur le transport et le dépôt de particules poly-disperses et l'évolution dans l'espace et dans le temps des cinétiques de dépôt. Les résultats obtenus montrent que le bocage mécanique (straining) et l'hétérogénéité de la population de particules jouent un rôle important dans la distribution décroissante, avec la profondeur, du coefficient cinétique de dépôt.Des simulations numériques ont été appliquées sur une série d'expériences de colonnes de laboratoire. Différentes vitesses de fluides et trois milieux poreux de granulométries différentes ont été considérées. Les effets des forceshydrodynamiques ont été analysés à partir des variations des paramètres de dépôt du modèle proposé. En tenant compte des distributions de la rétention, de la distribution des tailles des particules retenues dans le milieu à différentesprofondeurs ainsi que des évolutions spatio-temporelles des coefficients cinétique de dépôt, les mécanismes de transport et de dépôt des particules poly-disperses ont été expliqués et clarifiés. Les rôles importants de la variation de la distributiongranulométrique des populations de particules mobiles et du changement géométrique des porosités du milieu poreux dû à la rétention ont été soulignés.
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Dates et versions

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  • HAL Id : tel-04560092 , version 1

Citer

Enze Ma. Modelling of suspended particle transport and deposition in saturated porous media. Civil Engineering. Normandie Université, 2018. English. ⟨NNT : 2018NORMLH42⟩. ⟨tel-04560092⟩
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