Dissertationen zum Thema „Mousse poreuse“

Des catalyseurs polymeres supportes constitues de polystyrene sulfone greffe sur une silice poreuse ont ete synthetises, afin d'etudier le mecanisme de greffage, et l'influence du taux de recouvrement et de la masse molaire du polymere greffe sur l'activite catalytique. La strategie generale de greffage consiste a faire reagir les silanols de la silice sur un agent de couplage difonctionnel du type thioalcoxysilane dont la fonction thiol est active dans une reaction de transfert radicalaire. Deux voies de greffage ont ete etudiees. Le procede from consiste a faire croitre le polymere a partir de radicaux lies a la surface. L'analyse des masses molaires par gpc du polymere greffe (apres elimination de la silice) a revele une distribution des masses tres large. Les diagrammes de gpc ont ete reproduits par calcul. Un mecanisme du greffage from et des valeurs de constantes de vitesses ont ete proposes. Le procede onto fait appel a une reaction de condensation entre un polymere alcoxysilyterminal et les silanols de la silice, le polymere etant prealablement fonctionnalise en phase homogene par une reaction de transfert. Une addition progressive de cet agent permet de synthetiser des chaines polymeres de taille definie et a distribution de masses etroite. Des phenomenes de selection sterique lors du greffage ont ete mis en evidence. Le polymere a ete caracterise par rmn #1h, rmn#2#9si et ir. Le polymere greffe a ete sulfone par le complexe so#3-tep, ce qui a permis d'obtenir des catalyseurs actifs en catalyse acide. Leur capacite a ete mesuree par titrage, atg et analyse elementaire. Trois tests catalytiques, differant par la polarite des reactifs, ont ete selectionnes. Une relation entre l'activite et la structure du polymere greffe (longueur de chaine et taux de recouvrement) a ete mise en evidence. L'etude des stabilites chimique et thermique du catalyseur est egalement abordee

Ce memoire concerne une etude d'adaptabilite d'un procede d'electrosynthese organique au reacteur a electrode poreuse percolee pulsee (e3p) developpe a l'ensigc de toulouse et jusqu'alors applique avec succes a la recuperation des metaux. La reaction etudiee est l'oxydation d'alcools ou de diols sur electrode de nickel en milieu alcalin. Pour cette etude, le reacteur est equipe d'une electrode volumique de configuration axiale constituee d'un empilement de mousses de nickel. Il est alimente par un electrolyte homogene ou biphasique dont l'emulsion est assuree en continu par une cellule de dispersion ultrasonore. L'interet de la pulsation est indeniable pour ce type de reaction. En milieu homogene, elle permet principalement d'accroitre les coefficients de transfert de matiere a l'electrode. En milieu biphasique, elle regit la probabilite de choc triphasique solide-liquide-liquide. Elle permet aussi la stabilisation des produits d'oxydation intermediaires en couplant reaction electrochimique et extraction. L'efficacite du reacteur a ete testee sur la reaction d'oxydation d'un alcool insature en aldehyde en milieu homogene et en milieu biphasique. Sa principale application porte plus specifiquement sur la coupure de diols par oxydation. Cette etude a pu mettre en evidence les effets de la pulsation sur les rendements chimiques et faradiques ainsi que sur la selectivite des reactions. Les resultats montrent l'efficacite du reacteur, plus particulierement adapte au cas d'electrolyses en milieu emulsionne

Nous étudions la stabilisation de mousses de décontamination nucléaire par des particules minérales hydrophiles et hydrophobes. La particule hydrophobe est une silice colloïdale greffée, et semble permettre de modifier les propriétés viscoélastiques d'une interface modèle eau-air. Les particules hydrophiles sont des agglomérats de silice pyrogénée, qui confèrent aux solutions moussantes un comportement rhéologique thixotrope et à seuil. Les mousses résultantes conservent jusqu'à 75 % de leur liquide initial sur plusieurs heures. Nous expliquons ce drainage particulier par l'effet de confinement, étudié dans un milieu poreux rigide et dans une mousse aux interfaces mobiles et au diamètre de bulle contrôlé. Un seuil de percolation apparaît dans le milieu poreux, mais disparaît dans la mousse du fait de la déformabilité des interfaces. Le liquide y est retenu dans les agglomérats piégés dans les bords de Plateau et les nœuds. L'ensemble des résultats a fait l'objet d'un dépôt de brevet
This study aims to highlight the stabilization of nuclear decontamination foam by hydrophilic and hydrophobic mineral particles. Hydrophobic particles consist of homogeneously-grafted colloidal silica, and we have examined their ability to make an ideal gas-liquid interface viscoelastic. Hydrophilic particles are micrometric agglomerates of fumed silica, which turn foaming solutions into thixotropic yield-stress materials. The resulting foams can retain up to 75 % of their initial liquid during several hours. These remarkable drainage kinetics are explained with regards to the confining of agglomerates, studied both in a specifically-developed rigid porous media and in a foam with mobile interfaces and size-controlled bubbles. A percolation threshold appears in the porous media but can not take place in the foam owing to the interfaces deformability. Liquid is retained in the porous agglomerates trapped within the foam channels. The whole results have been patented

Pour augmenter le taux de récupération du pétrole, une des solutions chimiques utilisées consiste à injecter des mousses dans les milieux poreux. En effet, les mousses permettent sous certaines conditions de diminuer la mobilité et ainsi d’améliorer le balayage du réservoir. Cependant, les mécanismes contrôlant la mobilité des mousses ne sont pas bien compris. Nous proposons une approche microfluidique permettant une observation directe de l’écoulement des bulles dans un micromodèle de milieux poreux. Nous observons que l’écoulement n’est pas homogène dans le milieu poreux: il se fait uniquement dans quelques chemins. Le nombre de chemins préférentiels dépend de la qualité de la mousse et du nombre capillaire. Si nous simplifions le milieu poreux à une boucle, nous montrons que la formation des chemins préférentiels dépend de la taille de la boucle. En effet, les bulles sont bloquées dans la boucle uniquement quand la taille de la boucle est de l’ordre de grandeur de la taille des bulles
Crude oil is already usually trapped into heterogeneous porous media. In order to increase the recovery efficiency, one of the chemical solutions consists in injecting foams in porous media to expel oil from the rock. Foam is indeed able in some cases to greatly decrease the mobility, leading to a better sweeping of the reservoir. However, the mechanisms controlling the foam mobility are not well known. We propose a microfluidic approach allowing a direct observation of the flow of bubbles in a model of porous media. We observe that the flow is not homogeneous in the porous medium: it is concentrated in some paths. The number of these preferential paths depends of the foam quality and the capillary number. If we simplify the geometry of the porous medium to a loop, we prove that the formation of preferential paths depends of the size of the loop. Indeed we can only immobilize the bubbles if the size of the loop is around the size of the bubbles

En récupération assistée du pétrole (EOR), des mousses sont injectées dans des milieu poreux pour améliorer l’efficacité de l’extraction. L’intérêt est d’éviter les digitations visqueuses, la mousse possédant une forte viscosité effective à faible nombre capillaire (Ca). Les mousses sont produites par co-injection de gaz et de solutions aqueuses de tensio-actifs. Cette thèse se propose de comprendre les mécanismes de formation et de transport de mousse en milieu poreux à travers un micromodèle hétérogène fabriqué en NOA. Les études de formation de mousse sont envisagées de deux manières. La première consiste à étudier une co-injection de deux fluides dans un milieu poreux grâce à un jet généré au centre du système. Cette expérience nous permet de constater qu’une dispersion des deux phases est visible pour des nombres capillaire d’injection plus grand que 10-5. Une deuxième expérience d’injection directe d’un train de bulle dans un milieu poreux montre que les bulles se divisent jusqu’à atteindre un diamètre proche de la taille des pores, pour des Ca suffisamment importants. Par ailleurs, nous avons étudié les propriétés de transport d’une mousse dans un milieu poreux. Des mesures directes montrent que la pression générée par l’écoulement peut être jusqu’à 3000 fois plus importante que la pression due à de l’eau à même débit d’injection pour Ca=10-6. Ce rapport diminue fortement avec le nombre capillaire. Une analyse des chemins parcourus par observation directe souligne que pour des faibles débits relatifs de gaz, seuls quelques chemins sont actifs. Il se trouve cependant qu’une augmentation de Ca ou du débit relatif de gaz conduisent à une homogénéisation du balayage de la mousse dans le milieu. A travers différents modèles de simple canaux droits à section constante ou variable, nous notons que la différence de pression créée par une seule bulle suit la loi de Bretherton en Ca^{2/3}. Cependant, la présence de constrictions conduit à l’existence d’un seuil en pression en-dessous de Ca=2.10-4, et donne lieu à des écoulements intermittents. Enfin, nous présentons des observations de formation et transport de mousse en présence d’huile. Nous constatons alors que la présence d’huile n’a pas d’impact notable pour la solution de tensio-actifs, que ce soit sur la formation ou le transport
In enhanced oil recovery (EOR), foams are injected in porous media to improve oil recovery efficiency. The objective is to limit viscous fingering thanks to the high effective viscosity of the foam at low capillary number Ca. Foam is produced by the co-injection of a gas and a solution of surfactants. This thesis focuses on foam formation and transport mechanisms in model porous media using a heterogeneous micromodel made in NOA. Foam formation is studied using two different approaches. The first one consists in studying a co-injection of two fluids thanks to a jet flowing in the center of the system. This experiment shows that the less wetting fluids is dispersed in the other one when the capillary number is higher than 10-5. A second set of experiments is conducted by injected a pre-formed train of big bubbles in model a porous media. The bubbles divide until they reach a diameter of the order of to the pore size, for high enough capillary numbers Ca. Besides, we studied the transport properties of foam in similar model porous media. Direct measurements show that the pressure drop induces by the flow can be at Ca=10-6 as high as 3000 times the pressure corresponding to water injected at the same injection flow rate. This ratio decreases with capillary number. An analysis of the preferential paths by direct observations shows that, for low relative gas flow rate, only a few paths are active. However, an increase of the capillary number or if relative gas flow rate leads to a homogenization of the flow in the medium. Thanks to different simple models of straight or wavy channels, we measure that the pressure drop induced by a single bubble is in good agreement with Bretherton’s law, and scales as Ca2/3. However, in wavy channels the pressure drop due to a single bubble deviates from this prediction and exhibits a plateau at Ca lower than 10-4. In this regime, the motion of the bubble is usually intermittent. Finally, we focus on foam formation and transport properties in presence of oil. Our observations lead to the conclusion that for our setup and surfactant formulations, oil has a negligible influence

L'injection de gaz sous forme de mousse au sein de gisements petroliers dans le cadre des methodes de recuperation amelioree du petrole peut permettre de palier a certains problemes rencontres lors de l'etape de recuperation secondaire (segregation gravitaire, presence d'heterogeneites). Le but de cette methode est de reduire de facon significative la mobilite du gaz qui, en presence de mousse, est fonction principalement de la densite de lamelles liquides in-situ (texture). Le volet experimental de ce travail consiste en l'etude de l'influence de la concentration en tensioactif et de la vitesse du gaz sur des ecoulements de mousses en milieu poreux en regime instationnaire. La modelisation de ce type d'ecoulement est basee sur une approche de type population balance c'est a dire une prise en compte de l'evolution de la texture de la mousse in situ associee aux equations classiques d'ecoulements diphasiques en milieu poreux

Cette thèse vise à faire progresser notre connaissance du comportement rhéologique des mousses dans les milieux poreux. Pour cela, nous avons réalisé une étude pétrophysique systématique complète de l'écoulement de mousse dans des milieux poreux pour déterminer l'impact de la qualité de la mousse, du débit, de la perméabilité, de la pression et de la composition du gaz. Nos résultats montrent que les données obtenues sur une gamme de qualités de mousse, de vitesses interstitielles et de perméabilités, convergent vers une courbe maîtresse de loi de puissance, indépendamment du régime d'écoulement, une fois le comportement rhéologique de la mousse forte est exprimé comme la viscosité apparente en fonction du taux de cisaillement. La courbe maîtresse obéit à une loi de puissance avec un exposant universel de -2/3. Nous avons trouvé des preuves expérimentales et théoriques dans la littérature pour la valeur de l'exposant. Nos résultats ont montré aussi que la mousse était moins efficace pour réduire la mobilité des gaz lorsque la pression augmentait, et qu'à des pressions suffisamment basses, la composition du gaz n'avait aucun effet sur la performance de la mousse. Cependant, à haute pression, la composition du gaz devient un paramètre déterminant, et tous les composants doivent être pris en compte. Nous avons trouvé une courbe maîtresse pour la performance de la mousse que nous permet d'extrapoler l'efficacité de la mousse pour différentes compositions à différentes pressions. Donc, les deux approches et les corrélations ci-dessus peuvent être utilisées pour affiner la modélisation d'injection des mousses, améliorant ainsi la simulation du procédé Foam-EOR et sa fiabilité
This thesis aimed at advancing our knowledge of the rheological behavior of foams in porous media. For that, we performed a comprehensive systematic petrophysical study of foam flow in porous media to determine the impact of foam quality, flow rate (interstitial velocity), permeability, pressure and gas composition on foam performance. Our findings show that the data obtained over a range of foam qualities, interstitial velocities and permeabilities converged to a power law master curve, independently of the flow regime, once the rheological behavior of strong foam was expressed in terms of apparent viscosity as a function of shear rate. The master curve obeys a power law with a universal exponent of -2/3. We found experimental and theoretical evidence in the literature for the value of the exponent. Our results also showed that foam was less effective in reducing gas mobility as pressure increased and that at sufficiently low pressures, the gas composition has no effect on foam performance. However, at high pressures, the gas composition becomes a determinant parameter, and all components must be considered. We found a master curve for foam performance which allows us to extrapolate foam efficiency for different compositions at different pressures. The experimental correlations obtained by these original approaches hold immense potential to advance the physical modeling of foam flow in porous media. Therefore, both approaches and correlations above can be used to refine foam flooding modeling, thus improving the simulation of Foam-EOR process and its reliability

Cette thèse porte sur les capacités d'extraction d'une mousse déposée sur un support poreux dans le but d'y déloger un contaminant ayant imprégné la porosité. Nous avons donc considéré l'imprégnation forcée de fluides dans un pore unique, étudiée pour deux cas particuliers : (i) lors de l'impact d'une goutte de liquide à l'aplomb d'un pore unique vertical cette situation visant à modéliser l'imprégnation du poreux par le contaminant, et (ii) lors de l'aspiration d'une mou sse liquide à travers le pore qui illustre la compétition d'aspiration entre la mousse et le poreux. Dans chaque cas, le diamètre du pore est inférieur à celui des gouttes ou des bulles.Pour le premier cas, nous nous sommes intéressés au volume et à la profondeur d'imprégnation pour des surfaces hydrophiles et hydrophobes. Nous établissons les diagrammes d'imprégnation en fonction du diamètre du pore et de la vitesse d'impact et un travail de modélisation nous permet de déterminer les limites entre les différentes régions de ces digrammes.Pour le second cas, nous montrons que lors de l'aspiration, la mousse entre dans le pore uniquement dans un domaine bien déterminé dans le diagramme fraction liquide, rapport de taille pore/bulle et débit d'aspiration. En dehors de ce domaine, l'aspiration peut faire entrer soit le gaz seul, soit le liquide seul. La encore, un travail de modélisation nous permet de prédire les limites des différentes zones du diagramme. Dans une dernière partie, nous revenons à un problème pratique d'imprégnation sur support textile et quantifions les capacités d'extraction d'une mousse dans cette configuration dans le but d'y déloger un contaminant

Parmi les différents types de mousses existantes, nous avons décidé d’étudier les mousses d’aluminium élaborées par une technique d’infiltration. Afin d’améliorer leur comportement mécanique et surtout leur capacité d’absorption d’énergie lors d’un choc, nous avons introduit différents polymères dans les pores pour former un nouveau bi-matériau composite : Métal Poreux Polymère Composite (MPPC). Le but principal de cette étude est d’élaborer les mousses d’aluminium et les composites MPPC, et d’étudier leurs propriétés mécaniques en compression et en choc. Dans ce but et après une étude bibliographique, nous avons présenté les équipements nécessaires que nous avons conçus et installées pour la fabrication des différents matériaux étudiés. Afin de prévoir et contrôler la porosité des mousses, un modèle physique simplifié a été établi. Le comportement mécanique des matériaux a été étudié pour la suite de cette étude lors d’essais de compression statique. Afin d’obtenir des informations utiles et nécessaires pour choisir le type de mousse ou de composite dans le cas d’applications spécifiques, l’influence des paramètres de structure sur les réponses mécaniques a été mise en évidence. En outre, un modèle simplifié numérique a été proposé afin d’établir la relation entre la structure de la cellule et le module d’élastique. Dans la dernière partie, les propriétés dynamiques en choc de la mousse et du composite ont été étudiées. De même, nous avons mis en lumière l’influence des paramètres de structure et des conditions d’essais sur le comportement des matériaux sollicités en choc
Among the various types of existing foams, we investigate the aluminium foam prepared with infiltration technique. In order to improve their mechanical behavior and especially their energy absorption capacity under impact, we introduced various polymers into the pores to engender a new composite Bi-material: Metal Porous Polymer Composite (MPPC). The principal goal of this study consists of the preparation of aluminium foam and composites (MPPC) and the exploitation upon their mechanical properties under load compressive and impact. For this aim and based on a bibliographical study, we designed and installed necessary equipment to prepare the materials. In order to predict and control the porosity of the aluminium foam, a simplified and idealized physical model was established. In consequence, the mechanical behavior of materials was studied with static compression tests. For obtain necessary information to choose the appropriate foam or composite in the real occasion, the influence of the structural parameters on the mechanical response was investigated. Moreover, a numerical simplified model was proposed to establish the relation between the structure of cellule and the elastic module. In the last part, the dynamic properties of foam and composite were studied under point impact. In the same way, we studied the influence of the structural parameters and the conditions of tests on the responses of materials under impact

Cette thèse vise à faire progresser notre connaissance du comportement rhéologique des mousses dans les milieux poreux. Pour cela, nous avons réalisé une étude pétrophysique systématique complète de l'écoulement de mousse dans des milieux poreux pour déterminer l'impact de la qualité de la mousse, du débit, de la perméabilité, de la pression et de la composition du gaz. Nos résultats montrent que les données obtenues sur une gamme de qualités de mousse, de vitesses interstitielles et de perméabilités, convergent vers une courbe maîtresse de loi de puissance, indépendamment du régime d'écoulement, une fois le comportement rhéologique de la mousse forte est exprimé comme la viscosité apparente en fonction du taux de cisaillement. La courbe maîtresse obéit à une loi de puissance avec un exposant universel de -2/3. Nous avons trouvé des preuves expérimentales et théoriques dans la littérature pour la valeur de l'exposant. Nos résultats ont montré aussi que la mousse était moins efficace pour réduire la mobilité des gaz lorsque la pression augmentait, et qu'à des pressions suffisamment basses, la composition du gaz n'avait aucun effet sur la performance de la mousse. Cependant, à haute pression, la composition du gaz devient un paramètre déterminant, et tous les composants doivent être pris en compte. Nous avons trouvé une courbe maîtresse pour la performance de la mousse que nous permet d'extrapoler l'efficacité de la mousse pour différentes compositions à différentes pressions. Donc, les deux approches et les corrélations ci-dessus peuvent être utilisées pour affiner la modélisation d'injection des mousses, améliorant ainsi la simulation du procédé Foam-EOR et sa fiabilité
This thesis aimed at advancing our knowledge of the rheological behavior of foams in porous media. For that, we performed a comprehensive systematic petrophysical study of foam flow in porous media to determine the impact of foam quality, flow rate (interstitial velocity), permeability, pressure and gas composition on foam performance. Our findings show that the data obtained over a range of foam qualities, interstitial velocities and permeabilities converged to a power law master curve, independently of the flow regime, once the rheological behavior of strong foam was expressed in terms of apparent viscosity as a function of shear rate. The master curve obeys a power law with a universal exponent of -2/3. We found experimental and theoretical evidence in the literature for the value of the exponent. Our results also showed that foam was less effective in reducing gas mobility as pressure increased and that at sufficiently low pressures, the gas composition has no effect on foam performance. However, at high pressures, the gas composition becomes a determinant parameter, and all components must be considered. We found a master curve for foam performance which allows us to extrapolate foam efficiency for different compositions at different pressures. The experimental correlations obtained by these original approaches hold immense potential to advance the physical modeling of foam flow in porous media. Therefore, both approaches and correlations above can be used to refine foam flooding modeling, thus improving the simulation of Foam-EOR process and its reliability

L’objet de ce travail expérimental est l’étude de la mécanique de films de mousses dont la structure est confinée par leur faible épaisseur. A partir d’une méthode de moussage de dispersion de particules de polyuréthane, nous sommes parvenus à contrôler, de façon indépendante, la fraction d’air (ou la densité) de ces films, leur épaisseur e et la distribution des tailles de leurs pores (de diamètre moyen D ̅_b). Pour ce dernier paramètre, nous nous sommes intéressés au cas de distributions monodisperse, bidisperse et polydisperses. Les différentes structures obtenues ont été étudiées par tomographie aux rayons X, de manière à quantifier l’ordre induit par le confinement (profils de densité, position des centres de pores, tailles des éléments structuraux,…). Nous nous sommes intéressés à la mécanique de ces films de mousse en tension (dans le plan du film) et en compression (dans le plan orthogonal au film). Un travail spécifique mené sur la matrice de polymère nous a permis de déterminer des grandeurs adimensionnées (modules et contraintes caractéristiques) permettant une comparaison avec les données et les modèles de la littérature. Nous montrons qu’en plus de l’effet classique de la densité, le nombre moyen de bulles à travers l’épaisseur, i.e. e⁄D ̅_b , est un paramètre déterminant pour les deux directions de sollicitation. En élongation, les couches pariétales contribuent à augmenter le module élastique des films par rapport à une mousse non-confinée. Ce renforcement est d’autant plus important (jusqu’à deux fois) lorsque e⁄D ̅_b est faible, quel que soit le type de distribution des tailles de pores. En compression, les couches pariétales ne contribuent pas directement, mais le confinement joue également un rôle important, avec cette fois-ci un impact déterminant de la distribution des tailles de pores. Ainsi, un film de mousse monodisperse est ordonné comme un polycristal et présente des caractéristiques mécaniques nettement plus élevées qu’un film de mousse polydisperse, comportant de nombreuses zones de faiblesse mécanique engendrées par les défauts d’empilement des bulles initiales. Les films de mousse bidisperses ont une réponse mécanique qui se rapproche soit des mousses monodisperses, pour de relativement grands rapports e⁄D ̅_b , soit des mousses polydisperses, pour de relativement petits rapports( e)⁄D ̅_b
The subject of this experimental work is the study of foam films mechanics with a confined structure because of their low thickness. With our foaming method using polyurethane particles dispersion, we generated foam films with independent control over the gas fraction (or the density), the thickness e or the pore size distribution (with a mean diameter D ̅_b). For this last parameter, we focused on monodisperse, bidisperse and polydisperse distributions. Obtained structures were studied using X-ray tomography to quantify confinement-induced order (density profiles, pore center spatial position, structural elements size,…). The mechanics of such foam films was studied in both uniaxial tension (in-plane) and compression (orthogonal plan). A particular work was done on the polymer matrix in order to determine reduced values (moduli and characteristic stress) to compare our results with models in the literature. We show that in addition to the classic density effect, the mean number of bubbles across the thickness, i.e. e⁄D ̅_b is a determinant parameter for both stress directions. In tension, parietal walls contribute to increase the elastic modulus of films with respect to non-confined foam. This effect on the mechanical strength is even more important (up to two times) when e⁄D ̅_b is small without any effect regarding the pore size distribution. In compression, parietal walls do not contribute directly to the measured values but the confinement still has an important role, this time depending on the pore size distribution. Indeed, monodisperse foam films are organized in polycrystals with much better mechanical characteristics compared to polydisperse foam films that present numerous mechanical weak spots caused by initial bubble packing defects. Bidisperse foam films mechanical behavior is either close to monodisperse or polydisperse foam films respectively for high or small e⁄D ̅_b ratio

Dans un contexte de materiaux absorbants, des valeurs experimentales du facteur de forme m' sont obtenues lors de mesures dynamiques de la compressibilite de l'air dans des mousses polyuethanes reticulees et une laine de verre. Une reflexion est menee concernant la validite des modeles thermiques de propagation du son dans ces structures, le cas d'un echauffement partiel du solide etant pris en compte. Une analogie avec les dielectriques est utilisee pour preciser la nature de la relaxation des susceptibilites etudiees. On montre la similitude de ces fonctions aux formes de relaxation bien connues de debye, davidson-cole et cole-cole selon la valeur correspondante du parametre m' ou de son homologue visqueux m. Dans une mousse partiellement recouverte de polymeres, des ameliorations notables du coefficient d'absorption sont obtenues vers 1250 hz, dont la justification theorique semble ne pouvoir se passer de l'hypothese de facteurs visqueux m grands.

L'objectif de la thèse est d'élaborer de nouveaux matériaux polymères à hautes performances avec une porosité fermée de taille submicronique, selon une démarche originale de moussage par génération de gaz in-situ issu de la dégradation thermique de groupes pendants thermolabiles. Après avoir choisi une matrice polymère thermostable de type poly(phénylquinoxaline)s (PPQ) et ayant sélectionné un groupement thermolabile (tertiobutylcarbonate, Boc), une étude sur molécules modèles a permis de définir précisément la démarche suivie dans ce travail. Le greffage de ces groupements thermolabiles sur des fonctions phénols a pu être validé. Enfin, la décomposition des groupements Boc (libération de CO2 et isobutène) s'est avérée très propre, totale et laissant présager un bon contrôle du processus de moussage du système PPQ + CO2/isobutène. Différents monomères bis(α-dicétone)s ont été synthétisés puis polymérisés avec une bis(o-diamine) commerciale, pour conduire à des PPQ portant des groupements phénoliques en chaîne latérale. Suivant les conditions expérimentales choisies, ont été réalisées des structures ayant des taux de fonctions phénols variables, et une répartition particulière de ces fonctions selon la nature du monomère ou des architectures "statistiques" ou "séquencées". Le greffage de fonctions carbonates sur ces phénols a permis d'accéder à des taux de gaz générés élevés et variant de 150 à 654 mg/g, avec une répartition directement reliée à celle des fonctions phénols initiales. Trois paramètres essentiels permettent de contrôler les caractéristiques des matériaux poreux obtenus: la concentration en gaz généré, la Tg du polymère et la température de moussage. L'utilisation de températures de moussage élevées a permis d'élaborer des mousses de PPQ macroporeuses (ultra- et microcellulaires) dont la morphologie est similaire aux matériaux obtenus par des procédés conventionnels au CO2 supercritique. Les caractéristiques de cette macroporosité peuvent être contrôlées en fonction de la concentration en gaz et de la Tg du polymère. Par ailleurs, l'utilisation d'architectures "séquencées" (copolymères à blocs) permet la formation de matériaux ultra et microcellulaires ayant une double distribution de porosité. Cette distribution bimodale est très probablement due à une ségrégation de phase microscopique. Des températures de moussage modérées ont permis, pour l'ensemble des polymères étudiés, la formation de matériaux nanocellulaires de porosité fermée. Ces résultats montrent donc qu'il est possible de former et de stabiliser des nano-cellules (8-40 nm) par un mécanisme de nucléation-croissance, dans une matrice polymère. L'obtention de tailles très faibles et de densités de cellules élevées, nécessite un taux de nucléation important (concentration en gaz élevée) et une faible croissance des nanocellules nucléées (viscosité du système élevée). Parmi les différentes structures étudiées, les mousses de PPQ-OH présentent le meilleur compromis entre une quantité de gaz importante (345 mg/g) et une Tg élevée (370 °C) et conduisent à des matériaux nanocellulaires particulièrement intéressants (Φ: 8-11 nm -Nc: 41016 cellules/cm3 -P: 14- 16 %vol)
The aim of this thesis is to develop new high performance polymeric materials with closed submicron porosity. The adopted strategy is an original foaming process based on the in-situ gas generation from pendant thermolabile group decomposition. A thermostable polymer matrix poly(phenylquinoxaline)s (PPQ) has been chosen, as well as the thermolabile group tertbutylcarbonate (Boc). A preliminary model study was performed to precisely define the adapted strategy. Grafting the Boc structure on phenol group was shown to be efficient and the thermal decomposition provides carbon dioxide and isobutene in a very clean and quantitative way, which should lead to a good control of the foaming process of the system PPQ + CO2 /isobutene. Different monomers bis(α-diketone)s were synthesized and polymerized with a commercial bis(o-diamine), leading to PPQ with pendant phenol groups. Depending on the experimental conditions are prepared several structures having various phenol contents and specific repartitions depending on the monomer or "statistic”/”sequenced" architecture. The functionalisation of these phenol groups into Boc thermolabile groups could lead to a gas concentration from 150 to 654 mg/g and a repartition derived from the phenol ones. Three key parameters enable a good control of the porous materials morphology. They are the gas concentration, the glass transition (Tg) of the polymer and the foaming temperature. Using high foaming temperatures lead to macroporous PPQ foams (ultra and microcellular foams) whose morphologies are similar with ones obtained after a conventional CO2 foaming process. Parameters of this macroporosity can be controlled by playing on the gas concentration and the Tg of the polymer. Moreover foaming of "sequenced" architecture (bloc copolymers) lead to the formation of ultra and microcellular foams with a double distribution of pores. This bimodal distribution is probably due to microscopic phase segregations. All studied polymers associated with moderated foaming temperatures enable the formation of nanocellular foams with closed porosity. This results show that it is possible to form and stabilize nano-cells (8-40 nm) from a nucleation and growth mechanism in a polymer matrix. The production of such very small sizes and high cell densities requires a high nucleation rate (elevated gas concentration) and a limited growth of nucleated nano-cells (elevated system viscosity). Among the studied structures, the PPQ-OH foams show the best compromise between a high gas concentration (345 mg/g) and a high Tg (370 °C) and lead to very interesting nanocellular materials (Φ: 8-11 nm – Nc: 4 1016 cells/cm3 – P: 14-16 %vol)

Ce travail concerne la synthèse, la caractérisation et l'application de monolithes inorganiques à porosité hiérarchisée (macro-, méso- et/ou microporosités). Tout d'abord, nous avons développé deux procédés de synthèse originaux respectivement basés sur le confinement de réactions sol-gel dans la phase continue d'une émulsion ou d'une mousse. Nous avons établi de nouvelles relations entre texture finale du réseau macroporeux et certains paramètres physicochimiques, permettant ainsi la synthèse de matériaux d'architectures contrôlées. Les propriétés et fonctions issues de la microstructure ont pu être modulées par l'usage de différents types de précurseurs (alcoxydes de silicium ou de titane) ou de briques élémentaires (particules de SiO2, rubans de V2O5). Ensuite, les mécanismes régissant la croissance inorganique au sein d'une mousse ont été étudiés en considérant le drainage de solutions diluées de particules colloïdales aux échelles macroscopiques et locales. Nous avons montré que la région des noeuds est un lieu privilégié pour la formation d'agrégats et que la présence de particules induit une augmentation de la rigidité des interfaces. Un effet stabilisant des particules a été révélé et deux mécanismes de minéralisation, relatifs aux approches polymériques et particulaires, ont été proposés permettant ainsi de mieux comprendre le comportement de ces structures lors du séchage. Enfin, nous avons synthétisé des mousses composites V2O5-nanotubes de carbone dans une perspective d'application comme cathodes de batterie au lithium. Les résultats préliminaires mettent en évidence l'intérêt de ces matériaux sous réserve d'assurer une dispersion homogène des nanotubes.

L’utilisation de la mousse en récupération assistée du pétrole (Enhanced Oil Recovery, EOR) présente un avantage indéniable par rapport à l’injection du gaz seul pour pallier les problèmes de ségrégation gravitaire et de digitations visqueuses. Son utilisation systématique en ingénierie du réservoir nécessite des connaissances plus approfondies sur son comportement en milieu poreux. La littérature montre deux types d’approches expérimentales basées soit sur des études pétrophysiques effectuées sur des systèmes poreux 3D et basées sur des mesures de pressions intégrées sur l’ensemble du milieu poreux, soit sur des études micro-fluidiques qui permettent une visualisation directe de l’écoulement mais qui sont limitées à des systèmes modèles dans des géométries à 1 ou 2 dimensions. L’objectif de cette thèse est de faire le pont entre ces deux approches. La stratégie proposée consiste à caractériser in situ l’écoulement de la mousse dans des milieux poreux 3D à différentes échelles, en utilisant des techniques complémentaires permettant d’accéder à une large gamme de résolutions spatiale et temporelle. Un environnement instrumenté donnant accès aux mesures pétro-physiques classiques a été développé puis couplé à différentes cellules d’observation conçues spécifiquement pour chaque instrument de caractérisation. Dans un premier temps, un scanner X a été utilisé pour décrire et visualiser les écoulements de la mousse à l’échelle de la carotte. La rhéologie de la mousse à cette échelle a pu être étudiée en fonction des conditions d’injections comme la vitesse interstitielle du gaz et la qualité de mousse. Dans un deuxième temps, la technique de diffusion des neutrons aux petits angles (SANS) a permis de sonder la texture de la mousse en écoulement sur trois ordres de grandeurs en taille. Des informations in situ sur la texture de la mousse en écoulement (taille et densité des bulles et des lamelles) ont pu être mesurées pour différentes qualités de mousse puis en fonction de la distance au point d’injection. Une comparaison avec les caractéristiques géométriques du milieu poreux a également été effectuée. Dans un troisième temps, la micro-tomographie X rapide haute résolution sur Synchrotron a été utilisée pour visualiser la mousse en écoulement à l’échelle du pore. Cette technique a permis de confirmer de visu certaines caractéristiques de la mousse mesurées par SANS et de décrire en sus les effets d’intermittence du piégeage de la mousse. Cette étude constitue une étape importante de la caractérisation multi-échelle de l’écoulement des mousses en milieux poreux 3D et apporte des éléments de réponse à certaines hypothèses admises
Foam has long been used as a mobility control agent in Enhanced Oil Recovery (EOR) processes to enhance sweep efficiency and overcome gravity segregation, viscous fingering and gas channeling, which are gas-related problems when the latter is injected alone in the reservoir. However, the systematic use of foam in reservoir engineering requires more in-depth knowledge of its dynamics in porous media. The literature shows two types of experimental approaches based either on petrophysical studies carried out on 3D porous systems and based on pressure measurements, or on microfluidic studies that allow direct visualization of foam flow but are limited to 1D or 2D model systems. The research investigated in this thesis aims to bridge the gap between these two approaches. The proposed strategy is to characterize in situ the foam flow in 3D porous media with techniques providing a wide range of temporal and spatial resolutions. A coreflood setup giving access to classical petro-physical measurements was developed and then coupled to different observation cells designed specifically for each characterization instrument. First, an X-ray CT scanner was used to describe and visualize the foam flow at the core scale. The rheological behavior of foam on this scale was studied as a function of the injection conditions such as gas velocity and foam quality. Secondly, Small Angle Neutron Scattering (SANS) was used to probe the foam structure in situ during the flow, on a wide length scale, up to three orders of magnitude in size. In situ foam texture (size and density of bubbles and lamellae) was measured for different foam qualities and at different propagation distances from the injection point. A comparison to the geometric characteristics of the porous medium was also realized. Thirdly, High Resolution Fast X-ray Micro-tomography on a Synchrotron was used to visualize the foam flow at the pore scale. This allowed to confirm visually some foam characteristics measured with SANS and to investigate on local intermittent gas trapping and mobilization. This study is an important step in the multi-scale characterization of foam flow in 3D porous media and provides some answers to certain generally accepted assumptions

La pollution d’aquifères par des hydrocarbures est très persistante et difficile à traiter, devenant un enjeu majeur pour l’environnement en raison de l’effet négatif sur la santé humaine. La génération de mousse in situ combinée au lavage de sols est une technique de dépollution innovante, permettant un meilleur contrôle de la mobilité des fluides dans des formations hétérogènes. Le but de cette méthode est de bloquer l’écoulement dans les couches à forte perméabilité pour améliorer l’efficacité de balayage des strates peu perméables.Le mémoire se divise en deux parties principales décrivant une étude expérimentale et une étude numérique.Une sélection préalable de tensioactifs respectueux de l’environnement à été réalisée sur la base de leur moussabilité. Le sucrose laurate (émulsifiant alimentaire) a été retenu et comparé avec un tensioactif dit classique. Des tests sur colonnes 1-D ont permis d’étudier l’influence de la perméabilité, du type de tensioactif et de la qualité de la mousse sur le facteur de résistance à la mobilité du gaz. Les résultats, interprétés à l’aide de la pression capillaire, révèlent deux régimes d’écoulement, correspondants aux deux textures de mousse : « weak » et « strong ». Des expériences sur pilotes 2-D hétérogènes ont permis de visualiser les différentes phases du processus de remédiation et de comparer l’efficacité de balayage avec et sans une région bloquée par de la mousse.La partie modélisation comprend une simulation numérique des tests sur colonne 1-D en utilisant le code UTCHEM et une étude de sensibilité des paramètres les plus importants du modèle, ainsi qu’une modélisation des tests de traçage sur pilote 2-D avec le code MODFLOW
Aquifer pollution with hydrocarbons is very persistent and difficult to treat, becoming a major issue for the environment because of the negative effect on human health. In situ foam generation combined with soil washing is an innovative remediation technology that allows a better fluid mobility control in heterogeneous formations. The purpose of this method is to block the flow through the high permeability layers in order to improve the sweep efficiency of low permeability strata.The thesis is divided into two main parts describing an experimental study and a numerical study.A preliminary selection of environmentally-friendly surfactants was carried out on the basis of their foamability. Sucrose laurate (emulsifier from food industry) was selected and compared with a conventional surfactant. 1-D column tests were performed to study the influence of permeability, surfactant type and foam quality on the resistance factor. The results, interpreted using the capillary pressure, show two flow regimes, corresponding to the two foam textures: "weak" and "strong". Experiments on 2-D heterogeneous pilot allowed visualizing the different steps of the remediation process and comparing the sweep efficiency with and without a region blocked by foam.The numerical part includes modeling 1-D column tests using UTCHEM, a sensitivity study of the most important parameters of the model, and a simulation of tracer tests on 2-D pilot using MODFLOW

Les travaux présentés dans ce document concernent les mousses à cellules fermées. Deux axes sont développés. Le premier axe de recherche est focalisé sur l'amélioration des performances d'absorption sonore des mousses métalliques à cellules fermées et plus particulièrement des mousses d'aluminium. Les deux principales méthodes post-fabrication sont étudiées par une approche microstructurale. Une approche microstructurale consiste à étudier la géométrie locale afin de prédire les propriétés macroscopiques des matériaux. La première approche consiste à compresser les mousses afin de fracturer les parois des pores. La seconde approche consiste à perforer les mousses. La conclusion est que la méthode des fissurations est plus performante que la méthode des perforations. Cette méthode permet d'obtenir une absorption sonore large bande alors que la méthode des perforations augmente l'absorption de manière sélective. Du fait que l'approche microstructurale a été étendue aux mousses à cellules ouvertes afin de comprendre l'influence des paramètres microstructuraux, l'influence de la taille des étranglements, de la taille des pores et de la forme des sections de ligaments est analysée. Les résultats permettent maintenant de conseiller les manufacturiers de mousses afin de prendre en compte la composante acoustique des mousses dès leur fabrication. C'est une approche préfabrication. Le second axe de recherche concerne les mousses à cellules fermées et à structure souple. L'absence d'effets visqueux permet de modéliser ce type de mousse par un solide élastique équivalent. Il est alors possible d'établir une caractérisation des propriétés élastiques par une méthode inverse acoustique. La méthode permet de déterminer les propriétés élastiques du matériau à partir de simples mesures d'absorption en tube d'impédance. La méthode est développée pour deux conditions de montage. La condition glissante est délicate à assurer mais elle permet de développer une méthode simple. La méthode est ensuite étendue à des échantillons encastrés." Les travaux concernant la caractérisation ont donné lieu à un article et deux actes de conférence (Chevillotte et coll., Chapitre 3, 2007)4,5,6. Le modèle numérique et l'étude des microstructures ont également contribué à des publications et des actes de conférences (Perrot et coll., Annexes E, F et G, 2007--2008) 60,62,63,64.

L’utilisation de la mousse en récupération assistée du pétrole (Enhanced Oil Recovery, EOR) présente un avantage indéniable par rapport à l’injection du gaz seul pour pallier les problèmes de ségrégation gravitaire et de digitations visqueuses. Son utilisation systématique en ingénierie du réservoir nécessite des connaissances plus approfondies sur son comportement en milieu poreux. La littérature montre deux types d’approches expérimentales basées soit sur des études pétrophysiques effectuées sur des systèmes poreux 3D et basées sur des mesures de pressions intégrées sur l’ensemble du milieu poreux, soit sur des études micro-fluidiques qui permettent une visualisation directe de l’écoulement mais qui sont limitées à des systèmes modèles dans des géométries à 1 ou 2 dimensions. L’objectif de cette thèse est de faire le pont entre ces deux approches. La stratégie proposée consiste à caractériser in situ l’écoulement de la mousse dans des milieux poreux 3D à différentes échelles, en utilisant des techniques complémentaires permettant d’accéder à une large gamme de résolutions spatiale et temporelle. Un environnement instrumenté donnant accès aux mesures pétro-physiques classiques a été développé puis couplé à différentes cellules d’observation conçues spécifiquement pour chaque instrument de caractérisation. Dans un premier temps, un scanner X a été utilisé pour décrire et visualiser les écoulements de la mousse à l’échelle de la carotte. La rhéologie de la mousse à cette échelle a pu être étudiée en fonction des conditions d’injections comme la vitesse interstitielle du gaz et la qualité de mousse. Dans un deuxième temps, la technique de diffusion des neutrons aux petits angles (SANS) a permis de sonder la texture de la mousse en écoulement sur trois ordres de grandeurs en taille. Des informations in situ sur la texture de la mousse en écoulement (taille et densité des bulles et des lamelles) ont pu être mesurées pour différentes qualités de mousse puis en fonction de la distance au point d’injection. Une comparaison avec les caractéristiques géométriques du milieu poreux a également été effectuée. Dans un troisième temps, la micro-tomographie X rapide haute résolution sur Synchrotron a été utilisée pour visualiser la mousse en écoulement à l’échelle du pore. Cette technique a permis de confirmer de visu certaines caractéristiques de la mousse mesurées par SANS et de décrire en sus les effets d’intermittence du piégeage de la mousse. Cette étude constitue une étape importante de la caractérisation multi-échelle de l’écoulement des mousses en milieux poreux 3D et apporte des éléments de réponse à certaines hypothèses admises
Foam has long been used as a mobility control agent in Enhanced Oil Recovery (EOR) processes to enhance sweep efficiency and overcome gravity segregation, viscous fingering and gas channeling, which are gas-related problems when the latter is injected alone in the reservoir. However, the systematic use of foam in reservoir engineering requires more in-depth knowledge of its dynamics in porous media. The literature shows two types of experimental approaches based either on petrophysical studies carried out on 3D porous systems and based on pressure measurements, or on microfluidic studies that allow direct visualization of foam flow but are limited to 1D or 2D model systems. The research investigated in this thesis aims to bridge the gap between these two approaches. The proposed strategy is to characterize in situ the foam flow in 3D porous media with techniques providing a wide range of temporal and spatial resolutions. A coreflood setup giving access to classical petro-physical measurements was developed and then coupled to different observation cells designed specifically for each characterization instrument. First, an X-ray CT scanner was used to describe and visualize the foam flow at the core scale. The rheological behavior of foam on this scale was studied as a function of the injection conditions such as gas velocity and foam quality. Secondly, Small Angle Neutron Scattering (SANS) was used to probe the foam structure in situ during the flow, on a wide length scale, up to three orders of magnitude in size. In situ foam texture (size and density of bubbles and lamellae) was measured for different foam qualities and at different propagation distances from the injection point. A comparison to the geometric characteristics of the porous medium was also realized. Thirdly, High Resolution Fast X-ray Micro-tomography on a Synchrotron was used to visualize the foam flow at the pore scale. This allowed to confirm visually some foam characteristics measured with SANS and to investigate on local intermittent gas trapping and mobilization. This study is an important step in the multi-scale characterization of foam flow in 3D porous media and provides some answers to certain generally accepted assumptions

La conception basée sur des éléments périodiques est une stratégie puissante pour la réalisation de paquets sonores légers et représente une solution pratique pour les aspects de fabrication.De nombreux modèles théoriques sont disponibles pour prédire le comportement physique des matériaux poreux. [...].Bien que les matériaux poreux soient couramment utilisés pour les applications vibroacoustiques, ils souffrent d’un manque d’absorption à basse fréquence par rapport à leur efficacité à des fréquences plus élevées. Cette difficulté est généralement surmontée par des couches multiples. Cependant, tout en réduisant le décalage d’impédance à l’interface air-matériau, l’efficacité de ces dispositifs dépend de l’épaisseur admissible. Un moyen plus efficace d’améliorer les performances à basse fréquence des paquets sonores consiste à intégrer des inclusions périodiques dans une couche poreuse afin de créer des interférences d’ondes ou des effets de résonance qui peuvent jouer un rôle positif dans la dynamique du système. Par conséquent, les outils numériques pour concevoir correctement les paquets de son sont de plus en plus utilisés. Une cible de recherche intéressante est l’inclusion de traitements vibroacoustiques aux premiers stades du développement du produit par l’utilisation de milieux poreux avec des inclusions périodiques, qui présentent des effets filtrants dynamiques appropriés; Il s’agit d’applications différentes dans les secteurs des transports (aérospatiale, automobile, ferroviaire), de l’énergie et du génie civil, où le poids et l’espace, ainsi que le confort vibroacoustique, demeurent des enjeux critiques.Le principal outil numérique qui est développé dans ce travail est l’approche du "shift cell", qui permet la description de la propagation de toutes les ondes existantes à partir de la description de la cellule unitaire à travers la résolution d’un problème de valeur propre quadratique qui peut gérer toutes les dépendances de fréquence des paramètres. Il appartient à la classe des méthodes k(ω) (numéro d’onde en fonction de la fréquence angulaire), qui permettent de calculer des courbes de dispersion pour des problèmes dépendant de la fréquence, au lieu d’utiliser le classique ω(k) (fréquence angulaire en fonction du nombre d’ondes) qui entraîne des problèmes de valeur propre non linéaire. Cette technique a été appliquée avec succès pour décrire le comportement mécanique des structures périodiques qui intègrent des matériaux viscoélastiques ou des matériaux piézoélectriques. Nous proposons ici une extension aux modèles de fluides équivalents et diphasiques de matériaux poreux, qui permet de dépasser les limites des approches existantes afin d’obtenir un appareil dont l’efficacité de fréquence surpasse les conceptions existantes.Le but de ce manuscrit est donc d’introduire des améliorations à l’état de l’art de la technique du "shift cell" appliquée à des modèles de fluides équivalents et diphasiques
The design based on periodic elements is a powerful strategy for the achievement of lightweight sound packages and represents a convenient solution for manufacturing aspects.Many theoretical models are available to predict the physical behavior of porous materials. The most complex models require the definition of more than ten parameters to model the physical system of a porous absorbing material. It is the case, for example, of the theory of poro-elasticity developed by Maurice Biot, which allows to take into account the mechanical properties of the material, simultaneously to its acoustical behavior. Moreover, some of the parameters that are present in the different theoretical models are very difficult to measure. In general, the measurements of all the necessary parameters, that usually constitute the first step in the construction of a reliable model, represent by themselves a specific issue. Therefore, even if porous materials are widely used in many fields of industrial applications to achieve the requirements of noise reduction, that nowadays derive from strict regulations, the modeling of porous materials is still a problematic issue. Numerical simulations, like Finite Element Methods (FEM), are often problematic in case of real complex geometries, especially in terms of computational times and convergence. At the same time, analytical models, even if partly limited by restrictive approximating hypotheses, represent a powerful instrument to capture quickly the physics of the problem and general trends.Although porous materials are commonly used for vibroacoustic applications, they suffer from a lack of absorption at low frequencies compared to their efficiency at higher ones. This difficulty is usually overcome by multi-layering. However, while reducing the impedance mismatch at the air-material interface, the efficiency of such devices relies on the allowable thickness. A more efficient way to enhance the low frequency performances of sound packages consists in embedding periodic inclusions in a porous layer in order to create wave interferences or resonance effects that may play a positive role in the dynamics of the system. Therefore, numerical tools to properly design sound packages are more and more useful. An interesting research target is the inclusion of vibroacoustic treatments at early stage of product development through the use of porous media with periodic inclusions, which exhibit proper dynamic filtering effects; this address different applications in transportation (aerospace, automotive, railway), energy and civil engineering sectors, where both weight and space, as well as vibroacoustic comfort, still remain as critical issues.The main numerical tool which is developed in this work is the shift cell operator approach, which allows the description of the propagation of all existing waves from the description of the unit cell through the resolution of a quadratic eigenvalue problem which can handle any frequency-dependency of parameters. It belongs to the class of the k(ω) (wave number as a function of the angular frequency) methods, which allow computing dispersion curves for frequency-dependent problems, instead of using the classical ω(k) (angular frequency as a function of wave number) that leads to non-linear eigenvalue problems. This technique has been successfully applied for describing the mechanical behavior of periodic structures embedding viscoelastic materials or piezoelectric materials. Here we propose an extension to equivalent fluid and diphasic models of porous materials, which makes possible to overcome the limits of existing approaches in order to obtain a device whose frequency efficiency outperforms existing designs.The aim of this manuscript, therefore, is to introduce some enhancements to the state of the art of the shift cell technique applied to equivalent fluid and diphasic models

Depuis les années 60, la mousse présente un grand potentiel pour améliorer le balayage volumétrique par le gaz dans un réservoir pétrolier : des travaux de laboratoire et des essais sur champs montrent l’intérêt technique et économique de ce procédé. En effet, ses caractéristiques uniques, qui résultent de la dispersion du gaz dans un volume de liquide contenant des tensioactifs, en font un bon agent de réduction de mobilité du gaz, et par conséquent, ce qui conduit à la réduction des instabilités visqueuses issues du contraste de mobilité entre le gaz et l'huile en place. Par ailleurs, la mousse atténue les effets préjudiciables des hétérogénéités et de la ségrégation gravitaire sur la récupération, grâce à son comportement différent entres les faciès du réservoir. Dans la pratique industrielle, les simulateurs de réservoir s’attachent à ne modéliser que les effets de la mousse sur les déplacements en régime permanent, sans chercher à prédire son comportement dynamique régi par la génération, destruction et transport des lamelles (films minces) de mousse dans les milieux poreux. Suivant cette approche, la mousse est modélisée comme une réduction de mobilité du gaz, en particulier par le biais des perméabilités relatives, en utilisant des lois d'interpolations de paramètres impactant sa rhéologie, à savoir la vitesse et la qualité de la mousse, la saturation en huile, la concentration en tensioactif et la perméabilité du milieu poreux. Un tel modèle a l’avantage de la simplicité conceptuelle fondée sur l'extension des modèles de Darcy polyphasiques en n’utilisant que les paramètres d'écoulement mesurés au laboratoire, sans y intégrer le nouveau paramètre caractéristique de la mousse qui est la texture (densité des lamelles). Cependant, ces lois empiriques manquent de généralité et doivent être calibrées/ajustées à partir d’essais de laboratoire afin d'assurer la fiabilité des prévisions. Un modèle calibré à partir d’un nombre limité d’expériences comporte un degré d'incertitude et d’indétermination. L’ingénieur de réservoir a néanmoins recours à un tel modèle pour prédire et guider l’exploitation du gisement sur la base de ce procédé. D’où l’objectif principal de cette thèse qui consiste à améliorer le paramétrage des modèles de mousse empiriques via des lois mieux formulées et calibrées afin d’accroitre leur prédictivité. Dans cette thèse, nous avons établi les fondements physiques nécessaires pour valider les modèles empiriques en développant leur équivalence avec les modèles en texture assurée par des relations d’interdépendance entre les paramètres des deux approches. Cette équivalence a été montrée et étudiée en utilisant un modèle à lamelles pré-calibré de la littérature aux mesures de déplacements de mousse en régime permanent. Par ailleurs, ce parallèle avec les modèles en texture nous a permis de mettre au point une nouvelle procédure pour calibrer d'une manière fiable et déterministe les modèles empiriques. Cette procédure a été testée à partir des résultats d'expériences menées à IFPEN traduits en termes de texture en régime permanent. Enfin, nous avons proposé et interprété des lois d'échelle des paramètres du modèle de mousse en fonction de la perméabilité du milieu poreux, en analysant les paramètres des modèles calibrés sur des carottes de différentes perméabilités. L'importance de ces lois a été mise en évidence à travers des simulations sur une coupe de réservoir bi-couche. Les résultats de la simulation indiquent que les prévisions de performance d'un procédé à base de mousse, appliqué à un réservoir hétérogène, nécessitent une bonne connaissance des lois d'échelle des paramètres empiriques avec la perméabilité
Conventional techniques of oil recovery consist in injecting water and/or gas into the geological formation to force out the oil. These methods may reveal ineffective because of high permeability contrasts, unfavorable mobility ratio between the driving fluid and the oil in place which generally generates viscous fingering, and gravity segregation. In this context, foam has shown a great potential to overcome all these detrimental effects, and thereafter, to improve the volumetric sweep efficiency. Still some key points need to be addressed regarding the predictive calculation of multiphase foam flow in porous media. Methods for modeling foam flow in porous media fall into two categories: population balance (PB) models and (semi)-empirical (SE) models. On the one hand, PB models describe foam lamellas transport in porous media and predict the evolution of foam microstructure as the result of pore-scale mechanisms of lamellas generation and destruction. Within this framework, the modeling of foam effects on gas mobility is directly related to foam texture (lamellas density) along with the effects of other parameters impacting its rheology such as foam quality and velocity, permeability of the porous media, surfactant concentration, etc. On the other hand, SE models are based on the extension of multiphase classical Darcy's model to describe foam flow in porous media, such that the foam texture effects are described indirectly through a multi-parameter interpolation function of parameters measured/observed in laboratory. Such formulation has to be calibrated from foam flow experimental data on a case-by-case basis, which can turn to be a cumbersome task. Furthermore, SE models involve uncertainty because they are not based on mechanistic laws driving lamellas transport in porous media, and their predictive capacity remains low as too few laboratory data are generally available for their calibration. Nonetheless, the reservoir engineer needs a reliable foam model in order to design, assess and optimize foam enhanced oil recovery processes for field application. Accordingly, this thesis aims at providing further insights into the topics related to the parameterization of (semi)-empirical models through better formulated and calibrated laws in order to improve their predictivity. In this work, we have established the physical basis necessary to validate the (semi)-empirical models. Indeed, we developed the equivalence between SE and PB models achieved through relationships between the parameters of these two modeling approaches (industrial and physical). The equivalence has been established and studied using a pre-calibrated PB model of the literature to fit steady-state foam measurements. In addition, this equivalence allowed us to develop a new procedure to calibrate the (semi)-empirical models in a reliable and deterministic way. This procedure was tested and validated using results from IFPEN core-flood experiments by translating them into steady-state texture measurements. Finally, we proposed scaling laws for empirical model parameters with the permeability of the porous media, by analyzing the fitted parameters on cores of different permeabilities. Different interpretations of the scaling laws are herein provided using theoretical models for lamellas stability. Then, their importance has been demonstrated through simulations on a two layer reservoir cross-section. The simulation results indicate that the predictions of foam flow in a heterogeneous reservoir require a good knowledge of the scaling laws of SE model parameters with permeability

Depuis les années 60, la mousse présente un grand potentiel pour améliorer le balayage volumétrique par le gaz dans un réservoir pétrolier : des travaux de laboratoire et des essais sur champs montrent l’intérêt technique et économique de ce procédé. En effet, ses caractéristiques uniques, qui résultent de la dispersion du gaz dans un volume de liquide contenant des tensioactifs, en font un bon agent de réduction de mobilité du gaz, et par conséquent, ce qui conduit à la réduction des instabilités visqueuses issues du contraste de mobilité entre le gaz et l'huile en place. Par ailleurs, la mousse atténue les effets préjudiciables des hétérogénéités et de la ségrégation gravitaire sur la récupération, grâce à son comportement différent entres les faciès du réservoir. Dans la pratique industrielle, les simulateurs de réservoir s’attachent à ne modéliser que les effets de la mousse sur les déplacements en régime permanent, sans chercher à prédire son comportement dynamique régi par la génération, destruction et transport des lamelles (films minces) de mousse dans les milieux poreux. Suivant cette approche, la mousse est modélisée comme une réduction de mobilité du gaz, en particulier par le biais des perméabilités relatives, en utilisant des lois d'interpolations de paramètres impactant sa rhéologie, à savoir la vitesse et la qualité de la mousse, la saturation en huile, la concentration en tensioactif et la perméabilité du milieu poreux. Un tel modèle a l’avantage de la simplicité conceptuelle fondée sur l'extension des modèles de Darcy polyphasiques en n’utilisant que les paramètres d'écoulement mesurés au laboratoire, sans y intégrer le nouveau paramètre caractéristique de la mousse qui est la texture (densité des lamelles). Cependant, ces lois empiriques manquent de généralité et doivent être calibrées/ajustées à partir d’essais de laboratoire afin d'assurer la fiabilité des prévisions. Un modèle calibré à partir d’un nombre limité d’expériences comporte un degré d'incertitude et d’indétermination. L’ingénieur de réservoir a néanmoins recours à un tel modèle pour prédire et guider l’exploitation du gisement sur la base de ce procédé. D’où l’objectif principal de cette thèse qui consiste à améliorer le paramétrage des modèles de mousse empiriques via des lois mieux formulées et calibrées afin d’accroitre leur prédictivité. Dans cette thèse, nous avons établi les fondements physiques nécessaires pour valider les modèles empiriques en développant leur équivalence avec les modèles en texture assurée par des relations d’interdépendance entre les paramètres des deux approches. Cette équivalence a été montrée et étudiée en utilisant un modèle à lamelles pré-calibré de la littérature aux mesures de déplacements de mousse en régime permanent. Par ailleurs, ce parallèle avec les modèles en texture nous a permis de mettre au point une nouvelle procédure pour calibrer d'une manière fiable et déterministe les modèles empiriques. Cette procédure a été testée à partir des résultats d'expériences menées à IFPEN traduits en termes de texture en régime permanent. Enfin, nous avons proposé et interprété des lois d'échelle des paramètres du modèle de mousse en fonction de la perméabilité du milieu poreux, en analysant les paramètres des modèles calibrés sur des carottes de différentes perméabilités. L'importance de ces lois a été mise en évidence à travers des simulations sur une coupe de réservoir bi-couche. Les résultats de la simulation indiquent que les prévisions de performance d'un procédé à base de mousse, appliqué à un réservoir hétérogène, nécessitent une bonne connaissance des lois d'échelle des paramètres empiriques avec la perméabilité
Conventional techniques of oil recovery consist in injecting water and/or gas into the geological formation to force out the oil. These methods may reveal ineffective because of high permeability contrasts, unfavorable mobility ratio between the driving fluid and the oil in place which generally generates viscous fingering, and gravity segregation. In this context, foam has shown a great potential to overcome all these detrimental effects, and thereafter, to improve the volumetric sweep efficiency. Still some key points need to be addressed regarding the predictive calculation of multiphase foam flow in porous media. Methods for modeling foam flow in porous media fall into two categories: population balance (PB) models and (semi)-empirical (SE) models. On the one hand, PB models describe foam lamellas transport in porous media and predict the evolution of foam microstructure as the result of pore-scale mechanisms of lamellas generation and destruction. Within this framework, the modeling of foam effects on gas mobility is directly related to foam texture (lamellas density) along with the effects of other parameters impacting its rheology such as foam quality and velocity, permeability of the porous media, surfactant concentration, etc. On the other hand, SE models are based on the extension of multiphase classical Darcy's model to describe foam flow in porous media, such that the foam texture effects are described indirectly through a multi-parameter interpolation function of parameters measured/observed in laboratory. Such formulation has to be calibrated from foam flow experimental data on a case-by-case basis, which can turn to be a cumbersome task. Furthermore, SE models involve uncertainty because they are not based on mechanistic laws driving lamellas transport in porous media, and their predictive capacity remains low as too few laboratory data are generally available for their calibration. Nonetheless, the reservoir engineer needs a reliable foam model in order to design, assess and optimize foam enhanced oil recovery processes for field application. Accordingly, this thesis aims at providing further insights into the topics related to the parameterization of (semi)-empirical models through better formulated and calibrated laws in order to improve their predictivity. In this work, we have established the physical basis necessary to validate the (semi)-empirical models. Indeed, we developed the equivalence between SE and PB models achieved through relationships between the parameters of these two modeling approaches (industrial and physical). The equivalence has been established and studied using a pre-calibrated PB model of the literature to fit steady-state foam measurements. In addition, this equivalence allowed us to develop a new procedure to calibrate the (semi)-empirical models in a reliable and deterministic way. This procedure was tested and validated using results from IFPEN core-flood experiments by translating them into steady-state texture measurements. Finally, we proposed scaling laws for empirical model parameters with the permeability of the porous media, by analyzing the fitted parameters on cores of different permeabilities. Different interpretations of the scaling laws are herein provided using theoretical models for lamellas stability. Then, their importance has been demonstrated through simulations on a two layer reservoir cross-section. The simulation results indicate that the predictions of foam flow in a heterogeneous reservoir require a good knowledge of the scaling laws of SE model parameters with permeability

L'objectif de cette thèse est de caractériser et comprendre la propagation d'ondes acoustiques dans les mousses solides ordonnées. Nous avons mis au point une nouvelle sonde acoustique fondée sur la diffusion multiple de la lumière cohérente. Cette sonde appelée Laser Speckle Visibility Acoustic Spectroscopy résout en temps et en espace le champ de déplacement induit par le passage de l'onde acoustique ce qui permet d'en mesurer la relation de dispersion et la longueur d'atténuation. Nous avons validé la technique LSVAS en étudiant ces propriétés pour une mousse aqueuse dont les propriétés viscoélastiques sont par ailleurs connues. Nous avons ensuite élaboré des mousses solides de structure ordonnée en gélifiant des mousses liquides monodisperses produites à l'aide d'un générateur microfluidique. En excitant des ondes acoustiques dans un guide d'onde rempli d'une telle mousse gélifiée, nous avons étudié leur propagation dans une gamme de fréquence jusqu'à 10 kHz. Les célérités longitudinales et transverses ainsi que la longueur d'atténuation mesurées simultanément à basse fréquence montrent que, l'onde acoustique se propage dans la mousse solide comme dans un milieu continu effectif viscoélastique. Les variations des célérités longitudinale et transverse de ce mode lent avec la fraction volumique des bulles sont bien décrites par la loi de Wood et elles sont en accord avec la loi semi-empirique proposée par Ashby & Gibson. Aux fréquences supérieures à quelques centaines de hertz, la longueur d'onde transverse se rapproche de la taille des bulles et le mode lent n'est plus observé. Par contre, un mode beaucoup plus rapide, avec une vitesse comparable à celle du son dans l'air, apparaît. Nous montrons comment on peut décrire ce régime et le fort couplage entre le mouvement des films et du gaz dans le cadre de la théorie acoustique de Biot
This thesis aims at characterizing and understanding acoustic wave propagation in ordered solid foams. We developed a new acoustic probe based on coherent light multiple scattering. This probe called Laser Speckle Visibility Acoustic Spectroscopy is sensitive to the displacement field induced by the acoustic wave in time and space, so that the wave dispersion relation and attenuation can be measured. We validated LSVAS measuring the aforementioned properties in aqueous foams which viscoelastic properties were already known. We then elaborated solid foams with ordered structures by gelling monodisperse liquid foams produced with a microfluidic generator. Generating acoustic waves in a wave guide filled with such a gelled foam, we studied their propagation in a frequency range up to 10 kHz. Longitudinal and transverse wave velocities but also attenuation lengths simultaneously measured at low frequency show that the acoustic wave propagates in solid foam like in an effective viscoelastic continuous medium. Longitudinal and transverse wave velocity variations of this slow mode with gas volume fraction are well described by Wood's law and agree with the semi-empirical law suggested by Ashby & Gibson. At frequencies higher than a few hundred hertz, the transverse wavelength approaches the bubble size and this slow mode is not observed any more. Meanwhile, a much faster mode, which velocity compares to the sound wave velocity in air, appears. We show how this regime and the strong coupling between film and gas displacement in the framework of Biot's acoustic theory

Cette thèse d'habilitation synthétise les dix ans de recherche qui suivirent ma thèse de doctorat dans les domaines des paramètres physiques et de l'acoustique des milieux poreux et des interactions fluide/squelette. Ce mémoire est divisé en trois parties principales A, B et C correspondant aux trois principales périodes de ma carrière scientifique: la période entre 1994 et 1997 passée au Laboratorium voor Akoestiek en Thermische Fysica de la K. U. Leuven en Belgique en collaboration avec le Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine au Mans, la période entre 1997 et 2003 passée à Bradford (UK) en tant que chercheur (1997-2000) et les trois années passées à Hull (UK) en tant que maître de conférences (2000-2003), et enfin la période 2003 jusqu'à la date présente passée à nouveau au Laboratorium voor Akoestiek en Thermische Fysica.

La première partie de ce mémoire est consacrée aux paramètres physiques des milieux poreux et à leur caractérisation. Suite aux travaux théoriques importants de Biot qui fut un pionnier dans le domaine, la propagation acoustique dans les milieux poreux saturés de fluide est maintenant relativement bien connue grâce aux nombreuses contributions depuis les années 1970-80 d'une communauté scientifique assez large. Cependant, l'une des difficultés majeures rencontrées dans la pratique était l'absence d'information sur certains paramètres définis dans le domaine des hautes fréquences de Biot, dans les modèles les plus élaborés. Les hautes fréquences de Biot sont telles que l'épaisseur de peau visqueuse des ondes est petite devant les dimensions caractéristiques des pores mais ces fréquences demeurent inférieures aux basses fréquences des modèles de diffusion de sorte que les longueurs d'ondes restent très grandes devant les dimensions des hétérogénéités (diffuseurs). Dans ce contexte, notre principale contribution fut la proposition de méthodes originales basées sur la propagation d'ultrasons aériens ou dans un gaz saturant le matériau poreux pour la mesure de la tortuosité et des longueurs caractéristiques visqueuse et thermique. Ces recherches ont donné lieu à plusieurs thèses de doctorat conduites à Leuven et au Mans, en particulier, la thèse de Luc Kelders soutenue à la K. U. Leuven en 1998. Les autres faits et résultats marquants de ces recherches sont :
- la caractérisation complète pour la première fois grâce à ces expériences, de certains matériaux jusqu'alors inconnus.
- la réalisation d'un banc de mesure ultrasonore pour la mesure des paramètres haute fréquence. Le dispositif est maintenant couramment utilisé à la demande d'industriels et a été installé dans plusieurs laboratoires, notamment au Japon.
- la réponse à une question sur l'origine de l'excès d'atténuation observé à haute fréquence et non prédit par les modèles basés sur la théorie de Biot. Dans la plupart des matériaux utilisés en acoustique, cet excès d'atténuation est dû à la diffusion, lorsque les longueurs d'ondes ne peuvent plus être considérées comme grandes devant les dimensions des hétérogénéités. Dans ce cas, les modèles basés sur des phases effectives ne sont plus valables et doivent faire place aux modèles de diffusion.

Les recherches sur la caractérisation des paramètres physiques des milieux poreux et sur les relations entre ces paramètres continuent. Récemment, des recherches ont été entreprises par Z. E. A. Fellah, C. Depollier au Laboratorium voor Akoestiek en Thermische Fysica à Leuven et au Laboratoire d'acoustique de l'Université du Maine et une nouvelle méthode basée sur la réflexion des ondes ultrasonores a été développée dans le but d'augmenter le domaine d'applicabilité des méthodes ultrasonores.

Une approche temporelle des signaux ultrasonores transitoires transmis et réfléchis dans les couches poreuses a été proposée par ces auteurs et de nouvelles méthodes sont en cours d'étude pour la caractérisation de matériaux inhomogènes. Un certain nombre de ces méthodes sont basées sur des résultats établis en électromagnétisme. La partie B de ce mémoire étudie l'influence des paramètres physiques des milieux poreux sur les vibrations de plaques poreuses et les interactions fluide/squelette. Un modèle analytique de la vibration en flexion de plaques poreuses basé sur l'application de la théorie classique des plaques minces et la poroélasticité de Biot a été proposée. Ce problème n'a que très peu été étudié analytiquement. La raison principale en est sans doute la grande puissance et la flexibilité du traitement numérique de ce type de problème. Quel peut être l'intérêt de ce genre d'étude analytique, confinée à des géométries simples éloignées des situations réelles lorsque des problèmes plus complexes peuvent être résolus numériquement? Le but principal de cette étude a été de mieux comprendre l'influence des paramètres physiques définis dans la partie A sur les caractéristiques de la vibration. Ici, un intérêt particulier est porté sur la physique des interactions entre la phase solide et la phase fluide au cours de la vibration. La thèse de doctorat de M. J. Swift soutenue à l'Université de Bradford en 2000 à été consacrée à la fabrication et à l'étude des propriétés physiques et acoustiques de matériaux recyclés. Durant ces recherches, un procédé de fabrication de plaques poreuses minces, absorbantes et relativement rigides a été développé. Les matériaux produits ont été caractérisés et étudiés expérimentalement en vibration. Le procédé a fait l'objet d'un brevet et a permis la création d'une entreprise satellite (spin off) à l'université de Bradford. Les avancées qui ont résulté de ces recherches furent :
- la proposition d'un modèle analytique de la vibration en flexion d'une plaque poreuse mince relativement rigide saturée par un fluide. Le modèle est valable pour des matériaux relativement rigides lorsque les longueurs d'onde acoustiques sont plus grandes que l'épaisseur de la plaque, ce qui est souvent le cas.
- la proposition d'une formule analytique approchée donnant les fréquences de résonances de la plaque en fonction des paramètres physiques du matériau et des conditions de bord.
- l'étude détaillée de l'influence de la porosité, de la tortuosité et de la perméabilité sur les fréquences de résonance et sur l'amortissement. On trouve que les fréquences de résonance augmentent avec la porosité et la perméabilité, et diminuent lorsque la tortuosité augmente alors que l'amortissement augmente avec la porosité, diminue lorsque la tortuosité augmente et atteint un maximum en fonction de la perméabilité à une fréquence caractéristique du milieu poreux
- la découverte d'une fréquence d'amortissement maximal de la plaque vibrante liée aux propriétés du matériau (porosité, tortuosité et perméabilité). Cette fréquence est donnée par la fréquence caractéristique de Biot divisée par la tortuosité.

Le modèle rend compte de la réponse élastique instantanée de la plaque et du mouvement relatif entre le solide et le fluide. Il inclut l'amortissement structural (lié aux parties imaginaires du module d'Young et du coefficient de Poisson) et aussi les pertes par friction visqueuse, entre le solide et le fluide. Des renseignements qualitatifs ont été obtenus lors de l'étude de l'influence de la tortuosité et de la perméabilité. Ainsi, les résonances de plaques poreuses sont fortement liées à l'existence de forces d'inertie et de forces de friction. Ces forces sont associées aux échanges de quantité de mouvement et aux mouvements relatifs entre le solide et le fluide. Il apparaît que des variations des forces d'inertie sont accompagnées par des variations inverses des forces de friction. Nous pensons que ces renseignements sont importants et qu'une bonne compréhension des phénomènes physiques accompagnant les vibrations peut certainement contribuer à une bonne formulation numérique des vibrations de structures complexes incluant des matériaux poreux. La dernière partie de ce mémoire traite de la propagation d'ondes guidées dans des couches poreuses et dans des matériaux mous pour la caractérisation de leurs propriétés élastiques et viscoélastiques.

Cette étude apporte une contribution à la détermination des propriétés mécaniques du squelette solide et complète l'étude des paramètres physiques des milieux poreux. L'un des avantages de la propagation guidée pour l'étude de matériaux fortement atténuants est qu'elle permet de concentrer l'énergie dans l'épaisseur d'une couche. Quant aux ondes stationnaires, elles permettent non seulement de concentrer l'énergie à une fréquence donnée mais aussi de travailler avec des plaques dont les dimensions sont finies (par rapport aux longueurs d'onde). Ces travaux, aussi bien expérimentaux que théoriques, font suite à des travaux d'Allard sur la propagation d'ondes de Rayleigh dans des matériaux poreux pour la détermination du module de cisaillement à haute fréquence. L'idée est de faire la jonction entre les méthodes vibratoires classiques de mesure à basse fréquence des modules élastiques et la méthode basée sur l'onde de Rayleigh dans le but de caractériser des matériaux mous dans un large domaine de fréquences. Une partie importante de la thèse de doctorat de L. Boeckx soutenue en février 2005 est consacrée à ce sujet. La principale difficulté rencontrée fut la génération et la détection d'ondes guidées dans ce type de matériau très atténuant et dans le même temps très dispersif à certaines fréquences. Des résultats dignes d'intérêt dans cette étude sont certainement :
- la proposition d'une méthode d'excitation et de détection d'ondes guidées dans des matériaux très atténuants basée sur l'établissement d'ondes stationnaires dans le matériau, l'idée étant d'exciter le matériau mou avec une sinusoïde continue dans le but de maximiser l'énergie appliquée à une fréquence donnée.
- l'observation pour la première fois de plusieurs modes guidés dans de la matière très molle tels que les modes A0, S0 et A1 dans une couche de mousse polyuréthane hautement poreuse montée dans les conditions de Lamb. la détermination des courbes de dispersion expérimentales à partir du tracé du profil d'ondes stationnaires et de la transformée de Fourier spatiale de ce profil fournissant les périodicités spatiales des différents modes susceptibles de se propager à une fréquence donnée.
- la caractérisation des propriétés élastiques et viscoélastiques de mousses polyuréthane dans un domaine de fréquences compris entre 50 Hz et 4 kHz, typiquement.
- la description théorique faisant intervenir la théorie des modes guidés et les équations de la poroélasticité dans des couches de matériau placées dans différentes configurations.
- la prédiction de l'existence de deux familles de modes guidés dans les couches poreuses et la confirmation de l'existence de modes symétriques et antisymétriques lorsqu'une couche poreuse est placée dans les conditions de Lamb où les fluides environnant les deux faces de la couche sont les mêmes.

Suite à ces travaux et en application de cette technique de détection d'ondes guidées, des recherches sur les propriétés mécaniques de matériaux mous tel que des gels, du caoutchouc ou des films de liquide très visqueux appliqués sur un substrat rigide ont débuté au Laboratorium voor Akoestiek en Thermische Fysica. Une collaboration avec l'ECIME de l'université de Cergy Pontoise vise à caractériser la transition liquide-solide de milieux gélifs tels que du yaourt. Des gels synthétiques ou biologiques affichent des propriétés acoustiques étonnantes qui demandent à être étudiées plus précisément. Une autre étude est en actuellement en cours en collaboration avec l'Université du Maine sur la propagation d'ondes de surface et d'ondes guidées dans des milieux granulaires et des sables. D'autres perspectives de recherche font intervenir le banc ultrasonore développé à Leuven et au Mans. Il existe par exemple un intérêt particulier pour le vieillissement de la mie de pain, un milieu poreux bien connu et apprécié.

Une mousse stable, de qualité reproductible et contrôlée est mise au point. L’influence des paramètres physicochimiques sur sa stabilité est étudiée. Le comportement rhéologique de la mousse est déterminé ainsi que les caractéristiques de son écoulement dans un milieu poreux naturel consolidé. La mousse présente une viscosité de structure, expliquée par le modèle de Herschel-Bulkley, pour les faibles valeurs de vitesse de cisaillement

L'injection de mousse en milieu poreux est une technique très prometteuse pour de nombreuses applications comme le stockage de dioxyde de carbone, la dépollution des sols ou la récupération assistée du pétrole. L'écoulement de cette mousse en milieu confiné met en jeu différents processus de formation ou de destruction des bulles qui la composent. La compréhension des mécanismes physiques de ces processus est nécessaire à l’amélioration du procédé, notamment au travers de l'optimisation de la formulation de la phase liquide.Notre approche consiste à découpler ces différents phénomènes, grâce à des dispositifs modèles d’écoulement à deux dimensions, à l’échelle de la micro- ou milli-fluidique. Leur transparence nous permet de visualiser la structure de la mousse en écoulement et de faire le lien avec ses propriétés macroscopiques. Différents tensioactifs et additifs sont systématiquement testés afin d’étudier la capacité de nos dispositifs à les discriminer, et les résultats obtenus sont systématiquement comparés aux résultats obtenus en milieu poreux.Notre première expérience, qui étudie la formation de bulles lors du passage du co-écoulement gaz/liquide dans un pore microfluidique, met en évidence un phénomène d’hystérèse de formation expliqué par un processus de rétroaction hydrodynamique amorcé par l'écoulement en aval. Nous mettons également en évidence grâce à des simulations numériques l'existence d'une limite à la qualité de la mousse pouvant être formée, liée uniquement à la géométrie du pore. Différents tensioactifs sont étudiés, et ces résultats sont comparés à des mesures à la fois en volume et en milieu poreux à trois dimensions.Notre seconde expérience étudie l’influence de l’ajout d’un additif sur cette formation, notamment au travers des effets Marangoni que celui-ci génère. Un modèle théorique simple est développé pour prendre en compte ces effets.Nous décrivons enfin un montage de millifluidique permettant d’observer et d’étudier la destruction de mousse par coalescence de bulles. Nous montrons que les résultats diffèrent drastiquement en fonction des tensioactifs et additifs utilisés
Foam injection into porous media is a highly promising technique for a wide range of applications, including carbon dioxide storage, soil remediation, and enhanced oil recovery. The flow of this foam in a confined environment brings into play different processes of formation or destruction of the bubbles of which it is composed. Understanding the physical mechanisms of these processes is essential to improve this technique, in particular by optimizing the formulation of the liquid phase.Our approach is to decouple these different phenomena, using two-dimensional flow model devices, at the micro- or milli-fluidic scale. Their transparency allows us to visualize the structure of the flowing foam and to relate it to its macroscopic properties. Various surfactants and additives are systematically tested to investigate the ability of our devices to screen them, and the results obtained are systematically compared with those obtained in porous media.Our first experiment, which studies the formation of bubbles during the passage of a gas/liquid co-flow in a microfluidic pore, highlights a formation hysteresis phenomenon explained by a hydrodynamic feedback process initiated by the downstream flow. Using numerical simulations, we also demonstrate the existence of a limit to the quality of foam that can be formed, linked solely to the pore geometry. Different surfactants are investigated, and these results are compared with measurements both in volume and in three-dimensional porous media.Our second experiment studies the influence of an additive on this formation, in particular through the Marangoni effects it generates. A simple theoretical model is developed to account for these effects.Finally, we describe a millifluidic setup for observing and studying foam destruction by bubble coalescence. We show that the results vary drastically depending on the surfactants and additives used

Pour des raisons environnementales et de santé publique, la remédiation des sites et sols pollués est impérative. Une des techniques in-situ utilisées pour dépolluer des sols présentant une pollution aux hydrocarbures, est l’utilisation de mousse liquide. Grâce à son effet bloquant, la mousse crée une barrière entre l’eau et le polluant, et facilite le pompage de celui-ci. La principale problématique de cette technique est la stabilité de la mousse face à l’huile. Des techniques de renforcement de la mousse en présence d’huile sont développées, notamment grâce à l’ajout de polymère ou de particules solides.Ce travail portera donc sur la formulation d’une mousse résistante à l’huile en milieu poreux, et ce grâce à l’utilisation de polymère ou de particules colloïdales.La première partie de ce travail présente les tests de moussabilité et de stabilité effectués hors milieu poreux, ayant permis de présélectionner les produits nécessaires à l’obtention de telles mousses. Dans une seconde partie, des essais en colonne de milieu poreux ont mené à l’optimisation des conditions d’injection, ainsi qu’au choix final des produits à utiliser. Ils ont montré comment l’ajout de polymère permet d’augmenter la résistance à l’écoulement sans augmenter la force de la mousse, et comment l’ajout de particules renforce la résistance de la mousse face à l’huile. Des essais en pilote 2D ont ensuite été réalisés dans le but de comprendre le déplacement de la mousse en milieu poreux 2D vertical. Grâce aux formulations trouvées en colonne 1D, les expériences 2D effectuées en présence d’huile ont permis de tester le renforcement face à l’huile en deux dimensions. Pour finir, la méthodologie et les contraintes à prendre en compte pour réaliser un essai de pompage 3D sont présentées en perspectives
Given the possible environmental and health issues occurring when facing a hydrocarbon polluted site, soil remediation is necessary. One of the in-situ technique to remediate a Light Non Aqueous Phase Liquid pollution is the use of foam. Because of its blocking effect, foam is able to create a water blocking barrier, to confine water beneath the floating pollutant. However, the main issue with this technique is the stability of foam facing the oily pollutant. Several options are currently under review to reinforce foam against oil, which includes polymer or particles addition.The present study thus describes the work performed to obtain an oil-resistant foam in porous media, with the use of polymer or solid colloidal particles.In the first part of the study, foamability and stability tests were performed in bulk to select a broad range of products used to formulate such foams. Then, sandpacks experiments were realized in 1D columns in order to optimize the foam injection parameters and finalize the choice of surfactant and additives. Column experiments showed how additives impacted foam strength. Polymer addition led to an increased flow resistance without improving foam strength while particles addition proved to reinforce foam resistance against oil. Those results were then applied to carry out 2D-tank experiments to study foam displacement in a vertical two dimensions’ porous medium. The 2D tank also helped to simulate a foam injection below an oily layer and observe foam behaviour. Finally, the methodology and constrains to take into account to perform a pumping test in a 3D-pilot, were presented in the outlook section

Etude de l'influence des parametres morphologiques sur les caracteristiques thermiques et mecaniques des materiaux poreux utilises comme isolants simples ou porteurs. Choix d'isolants classiques (le polyurethane comme isolants simples, le verre expanse comme isolants porteurs). Analyse de la structure poreuse et interet que peut presenter une forte porosite fermee sur leur conductivite thermique; etude du comportement hygrometrique des verres expanses; on constate qu'une matrice solide "compacte" et une porosite fermee importante presente un grand interet au plan du comportement hygroscopique. Modele tenant compte des differentes porosites confronte aux resultats experimentaux. Proposition d'une methode originale de determination de coefficient de conduction de la matrice solide. Influence de la nature des gaz inclus dans les pores fermes. Courbe caracteristique de variation de la resistance a la compression en fonction de la conductivite thermique

Pour ce travail, nous utilisons un micromodèle à haute complexité et à structure fixe pour faire une série d’expériences en variant la vitesse d’injection, la qualité de la mousse, les distributions de taille de bulles d’injection, et la méthode d’injection. Nous mettons en œuvre un suivi individuel de bulles pour associer les propriétés d’écoulement aux propriétés de taille de bulles ainsi que les caractéristiques structurelles du milieu poreux. Nous proposons de nouveaux outils pour décrire l’écoulement d’un point de vue global et local de différentes manières. Nous établissons des comportements spécifiques à chaque taille de bulle, en montrant que les bulles des mousses piégées sont plus probables d’être de taille inférieure aux tailles de bulles moyennes, alors que les mousses en mouvement accèdent elles-mêmes à différents chemins d’écoulement selon les tailles de bulles. Les bulles plus volumineuses s’écoulent en majorité dans des chemins préférentiels à haute vitesse, généralement parallèles au gradient de pression, mais les petites bulles sont transportées en supplément à l’intérieur de chemins transversaux liant les chemins préférentiels. Ailleurs, pour nos données nous démontrons l’importance supérieure de la fraction de mousse piégée vis-à-vis de la densité de bulles quant à l’explication microscopique de la viscosité apparente, malgré une contribution des deux. Nous caractérisons structurellement les zones piégées à répétition, comme étant soit des zones à faible coordination de pore, de faible taille de seuil d’entrée, d’orientation de seuil désavantageuse, ou une combinaison de ceux-ci. Les zones à fort écoulement échappent à une caractérisation en termes de paramètres de structure locale et nécessitent une considération de l’information des différents chemins traversant la totalité du modèle. À ce but, afin de décrire les zones à fort écoulement, nous développons un modèle générant des chemins, utilisant une représentation en graphe du milieux poreux, basé sur une décomposition initiale en pores et seuils, qui intègre seulement les notions de taille de seuil et d’orientation de seuil relatif au gradient de pression pour caractériser les chemins
In this work, we use of a high-complexity micromodel of fixed structure on which we perform a series of experiments with varying injection rates, foam qualities, inlet bubble size distributions and injection methods. We perform individual bubble tracking and associate flow properties with bubble size properties and structural characteristics of the medium. We propose new tools describing the local and global flow in different ways. We establish specific behaviors for different bubble sizes, demonstrating that trapped foams are more likely to have smaller than average bubble sizes, while flowing bubbles also tend to segregate in different flow paths according to bubble size. Larger bubbles tend to flow in high-velocity preferential paths that are generally more aligned with pressure gradient, but smaller bubbles tend to access in supplement transversal paths linking the different preferential paths. Furthermore, for our data we establish the pre-eminence of the trapped foam fraction over bubble density within the microscopic explanation of apparent viscosity, although both contribute to some degree. We structurally characterize consistently trapped zones as areas with either low pore coordination, low entrance throat size, unfavorable throat orientation or a combination thereof. High-flow zones however cannot be characterized in terms of local structural parameters and necessitate integration of complete path information from the entire model. In this regard, in order to capture the high-flow zones, we develop a path-proposing model that makes use of a graph representation of the model, from an initial decomposition into pores and throats, that uses only local throat size and throat orientation relative to pressure gradient to characterize paths

L’objectif de ce travail consiste à élaborer des nouveaux matériaux comme métal poreux polymère composite (MPPC) à structure interpénétrée et à caractériser ses comportements mécaniques sous des sollicitations statiques et dynamiques. Nous avons mis au point dans un premier temps une technique d’infiltration à pression négative pour élaborer la mousse d’aluminium pure à cellules ouvertes et ensuite les composites MPPC. Les observations optiques nous ont permit d’analyser les structures avec multi-échelles. Nous avons caractérisé les matériaux en compression uniaxiale afin d’étudier les influences des paramètres de structure sur les réponses mécanique en compression, en associant avec l’observation au MEB. Les résultats expérimentaux du module élastique ont été comparés avec les modèles analytiques. Ces résultats obtenus sont tout à fait dans le cadre des bornes proposé dans la littérature. Deuxièmement, nous avons étudié le comportement à l’indentation des matériaux. La relation entre la réponse d’indentation, la taille et la géométrie du pénétrateur ont été mises en évidence. La taille et la forme de la zone densifiée ont été observées et modélisées par des modèles analytiques et la méthode numérique. La dernière partie concerne le comportement en choc des matériaux. Les influences de paramètres de structure et les conditions d’essais sur le comportement en choc ont été mises en lumière
The objectives of this work consist to manufacture new metal porous polymeric composites (MPPC) with interpenetrated structure and to characterize their mechanical behaviors under statical and dynamic loading. Firstly, we developed a technique of infiltration under a negative pressure to manufacture the open cell aluminium foams and MPPC. The optic observations were carried out in multi-scale. The characterizations of materials were carried out under uniaxial compression. The influences of the structural parameters on the compressive behaviors were clarified by SEM observations during compression. The elastic module was compared with the analytical models. These results obtained are completely restructed between the boundaries proposed in the literature. Secondly, the behaviors of indentation were studied. The relations between the response of indentation and the size and the geometry of plunger tip were illustrated. The size and the shape of the densification zone were observed and modelled by analytical models and the finite element simulation. Finally, the behaviour of impact was studied. The influences of experimental conditions and structural parameters on the behaviors of impact were illuminated

Pour ce travail, nous utilisons un micromodèle à haute complexité et à structure fixe pour faire une série d’expériences en variant la vitesse d’injection, la qualité de la mousse, les distributions de taille de bulles d’injection, et la méthode d’injection. Nous mettons en œuvre un suivi individuel de bulles pour associer les propriétés d’écoulement aux propriétés de taille de bulles ainsi que les caractéristiques structurelles du milieu poreux. Nous proposons de nouveaux outils pour décrire l’écoulement d’un point de vue global et local de différentes manières. Nous établissons des comportements spécifiques à chaque taille de bulle, en montrant que les bulles des mousses piégées sont plus probables d’être de taille inférieure aux tailles de bulles moyennes, alors que les mousses en mouvement accèdent elles-mêmes à différents chemins d’écoulement selon les tailles de bulles. Les bulles plus volumineuses s’écoulent en majorité dans des chemins préférentiels à haute vitesse, généralement parallèles au gradient de pression, mais les petites bulles sont transportées en supplément à l’intérieur de chemins transversaux liant les chemins préférentiels. Ailleurs, pour nos données nous démontrons l’importance supérieure de la fraction de mousse piégée vis-à-vis de la densité de bulles quant à l’explication microscopique de la viscosité apparente, malgré une contribution des deux. Nous caractérisons structurellement les zones piégées à répétition, comme étant soit des zones à faible coordination de pore, de faible taille de seuil d’entrée, d’orientation de seuil désavantageuse, ou une combinaison de ceux-ci. Les zones à fort écoulement échappent à une caractérisation en termes de paramètres de structure locale et nécessitent une considération de l’information des différents chemins traversant la totalité du modèle. À ce but, afin de décrire les zones à fort écoulement, nous développons un modèle générant des chemins, utilisant une représentation en graphe du milieux poreux, basé sur une décomposition initiale en pores et seuils, qui intègre seulement les notions de taille de seuil et d’orientation de seuil relatif au gradient de pression pour caractériser les chemins
In this work, we use of a high-complexity micromodel of fixed structure on which we perform a series of experiments with varying injection rates, foam qualities, inlet bubble size distributions and injection methods. We perform individual bubble tracking and associate flow properties with bubble size properties and structural characteristics of the medium. We propose new tools describing the local and global flow in different ways. We establish specific behaviors for different bubble sizes, demonstrating that trapped foams are more likely to have smaller than average bubble sizes, while flowing bubbles also tend to segregate in different flow paths according to bubble size. Larger bubbles tend to flow in high-velocity preferential paths that are generally more aligned with pressure gradient, but smaller bubbles tend to access in supplement transversal paths linking the different preferential paths. Furthermore, for our data we establish the pre-eminence of the trapped foam fraction over bubble density within the microscopic explanation of apparent viscosity, although both contribute to some degree. We structurally characterize consistently trapped zones as areas with either low pore coordination, low entrance throat size, unfavorable throat orientation or a combination thereof. High-flow zones however cannot be characterized in terms of local structural parameters and necessitate integration of complete path information from the entire model. In this regard, in order to capture the high-flow zones, we develop a path-proposing model that makes use of a graph representation of the model, from an initial decomposition into pores and throats, that uses only local throat size and throat orientation relative to pressure gradient to characterize paths

Nous étudions le drainage des mousses de suspension granulaire. Nos paramètres de contrôle sont : la fraction en gaz, la taille des bulles, celle des particules et la fraction volumique de celles-ci dans la phase interstitielle. En premier lieu, nous mesurons la proportion de liquide et de particules retenus dans le réseau de la mousse en fonction des paramètres cités précédemment. Ces mesures réalisées une fois le drainage terminé apportent des éléments de compréhension indispensables à la description des vitesses de drainage. Nous montrons également que certaines combinaisons de nos paramètres d'étude conduisent au blocage du système gaz, liquide, solide. Dans un second temps, nous avons identifié différents régimes de cinétique de drainage, nous montrons qu'ils sont contrôlés par deux paramètres : (i) le rapport lambda de la taille des particules et de la taille des constrictions du réseau, (ii) la fraction en particules dans la phase interstitielle phi. Le point clé pour comprendre ces régimes est le piégeage des particules dans la mousse qui peut avoir deux origines : (i) par piégeage collectif (jamming) qui peut survenir pour des fractions étonnamment basses à cause de la géométrie du réseau interstitiel, (ii) la capture individuelle des particules par la mousse lorsque leur taille devient supérieure à celle des constrictions du réseau interstitiel. Des particules encore plus grosses sont exclues du réseau et participent à une remontée de la vitesse de drainage, faisant apparaître un minimum pour le régime correspondant à la capture individuelle. La fraction granulaire de la phase interstitielle est aussi essentielle, le drainage pouvant être stoppé pour des fractions suffisamment élevées lorsque lambda est judicieusement choisi. Ce travail propose des pistes prometteuses pour la stabilité des matériaux triphasiques
We study the drainage of granular suspensions foams. Our control parameters are the gas fraction, the bubble size, the particles size and the interstitial particle fraction. First, we measure the proportion of liquid and particles retained in the foam network as function of the above mentioned parameters. These measurements are performed when the drainage is over, they are essential for the description of drainage velocity. We show that certain combinations of our study parameters lead to the jamming of the three-phase system : gas, liquid, solid. Secondly, we highlight different regimes of drainage velocity, we show that is controlled by two parameters : (i) lambda, the ratio of the particle size and constriction size, (ii) the fraction of particles in the interstitial network : phi. The key to understand these regimes is the trapping of particles in the foam : (i) the jamming, which may occur for surprisingly low fractions due to the geometry of the pore network, (ii) the particles captured by the foam network when they become larger than the constrictions network. Finally, larger particles excluded from the network increase the drainage velocity, as a consequence the minimum for the velocity corresponds to the individual capture. The granular fraction of the suspension in the foam network is the other key parameter. Especially, the drainage can be stopped for sufficiently high fractions for certain values of lambda. This work offers promising outlook for the stability of three-phase materials

Une etude asymptotique, hautes et basses frequences, du comportement acoustique de materiaux poreux a structure rigide, permet de mettre en evidence l'existence de six parametres caracterisant la geometrie interne du poreux : la porosite , la permeabilite visqueuse k#o (ou la resistivite au passage de l'air ), la tortuosite #, la permeabilite thermique ko' ou son inverse la constante de piegeage et les longueurs caracteristiques visqueuse et thermique '. Des methodes de mesures de ces parametres sont presentees. Des montages ont ete realises dans une salle de metrologie (salle kundt) permettant d'obtenir les trois premiers parametres. Les mesures d'impedance de surface y sont effectuees avec un tube a ondes stationnaires en utilisant une nouvelle methode d'etalonnage : la methode t. M. T. C. . Une etude approfondie a permis de montrer que la temperature joue un role important sur la precision des mesures. En apportant une correction de temperature, il est possible alors d'ameliorer cette precision. Le fluide saturant le poreux se comporte comme un fluide fictif dont la densite #e() et l'incompressibilite k#e() effectives, grandeurs complexes caracterisant respectivement les effets inertiels et visqueux et les effets thermiques, peuvent etre obtenues a partir de mesures suffisamment precises d'impedance de surface du materiau etudie plaque sur un fond rigide puis place devant une cavite fermee quart d'onde. Le modele de johnson-allard, construit sur ces six parametres geometriques, presente un bon accord avec les resultats de mesures. Il est alors possible d'obtenir la valeur d'un parametre non mesure jusqu'a present : la constante de piegeage. Un meilleur accord est realise, aux basses frequences, avec le modele de pride-lafarge. Deux parametres geometriques supplementaires, #o et #o', limites quand la frequence tend vers zero des tortuosites dynamiques visqueuse et thermique, sont introduits dans ce modele et peuvent etre estimes par des mesures acoustiques.

La présence de Composés Organiques Halogénés Volatils (COHV) dans les eaux souterraines est particulièrement problématique car celle-ci peut les contaminer pendant des dizaines d’années. Le traitement de ces sites, dont les pollutions sont souvent mixtes et complexes, nécessite de développer des techniques fiables. Particulièrement dans le contexte d’un aquifère hétérogène, les techniques classiques souffrent du faible potentiel de balayage de la pollution par les agents remédiant. La génération de mousse in situ est une technique de dépollution innovante permettant de contrôler la mobilité de ces agents. La démarche générale du travail de thèse porte sur le développement de l’injection de mousse et son applicabilité dans le contexte d’un site industriel en activité contaminé par des solvants chlorés. L’originalité de ce travail porte sur l’utilisation de la mousse comme agent confinant (hydrauliquement) d’une zone source au sein même de l’usine. Le premier objectif de cette thèse consiste en la définition de l’origine de la pollution et des processus responsables du transport des composés dissous dans un système aquifère multicouche et hétérogène. Dans ce cadre, un modèle de transport en 3 dimensions a été développé et contraint à partir de données géologiques (structure 3D), hydrogéologiques (piézométrie, mesure de vitesse), et chimiques (solvant chlorés et ions majeurs). Cette combinaison d’approches a eu un impact réel sur la compréhension de la dynamique hydrogéologique du système souterrain présent au droit du site d’étude, et a permis de définir la zone d’injection de mousse. En parallèle des travaux de caractérisation du site, un travail expérimental en laboratoire a permis de définir les mécanismes à l’origine de la réduction de la perméabilité relative à l’eau par l’injection de mousse. Au travers d’une approche multi échelle, ces travaux ont notamment permis de (i) définir une formulation (concentrations en tensio-actifs et composition) et les paramètres d’injection (qualité de mousse, débit d’injection, mode d’injection) pour générer une mousse favorable à la réduction de la saturation en eau (colonne 1D). Cette baisse de saturation ayant conduit à une réduction de la perméabilité à l’eau d’un facteur supérieur à 100. (ii) D’estimer le comportement de la mousse le long d’un profil d’injection et son impact sur la réduction de la saturation en eau à quelques centimètres d’un point d’injection (pilote 2D décimétrique). (iii) De vérifier l’applicabilité en 3D du système d’injection développé et de suivre les évolutions de l’impact de la mousse dans un aquifère (essai sur un piézomètre réel). Enfin, un test d’injection de mousse en continu pendant 96h au droit de la zone source du site industriel contaminé a été réalisé. La réalisation d’un essai de pompage (post injection) au centre de la zone confinée, couplé à des mesures de flux de polluant (pré et post injection) et implémenté dans un modèle 2D, ont permis de mettre en évidence l’impact réel de la mousse sur un rayon supérieur à 2m avec une réduction du flux de polluant en aval hydraulique d’un facteur 4,5. Les différents travaux de laboratoire et de modélisation mettent en évidence les avancées et limites de la technique développée et permettent de proposer des voies d’amélioration
The presence of Volatile Organic Compounds (VOCs) in groundwater is particularly problematic because it can contaminate them for decades. The treatment of these sites, whose pollution is often mixed and complex, requires the development of reliable techniques. Particularly in the context of a heterogeneous aquifer, conventional techniques suffer from the low potential for pollution sweeping by remedying agents. In situ foam generation is an innovative technique to control the mobility of these agents. The general approach of the thesis concerns the development of foam injection and its applicability. in the context of an industrial site in activity contaminated by chlorinated solvents. The originality of this work concerns the use of foam as a confining agent (hydraulically) of a source zone within the plant itself. The first objective of this thesis is to define the origin of pollution and the processes responsible for the transport of dissolved compounds in a multilayered and heterogeneous aquifer system. In this context, a 3-dimensional transport model has been developed and constrained based on geological data (3D structure), hydrogeological data (piezometry, groundwater velocity measurement), and chemical data (chlorinated solvent and major ions). The combination of these approaches had a real impact on the understanding of the hydrogeological dynamics of the underground system present at the study site, and allowed us to define the foam injection zone. In parallel with site characterization, experimental work in laboratory allows to define the mechanisms responsible for reducing the water-relative permeability by injecting foam. Through a multi-scale approach, we (i) define a formulation (surfactant concentrations and composition) and injection parameters (foam quality, injection rate, injection mode ) to generate a foam favorable to the reduction of water saturation (column 1D). This saturation decrease led to a reduction of the water relative permeability by a factor greater than 100. (ii) Estimate the behavior of the foam along an injection profile and its impact on the reduction saturation in water a few centimeters from an injection point (2D decimetric pilot). (iii) Verify the 3D applicability of the developed injection system and to follow the evolutions of the impact of the foam in an aquifer (test on a real piezometer). Finally, a continuous foam injection test during 96 hours at the source zone of the contaminated industrial site was carried out. Conducting a pumping test (post injection) in the center of the confined zone, coupled with contaminant fluxes measurements (pre and post injection) and implemented in a 2D model, highlighted the real impact of the injected foam over a radius greater than 2m with a reduction of the flow of pollutant downstream by a factor 4.5. The various laboratory and modeling work highlight the advances and limitations of the developed technique and make it possible to propose ways of improvement

Il y a plusieurs décennies, l'électronique de puissance (PE) est devenue une discipline importante dans le monde de l'électrotechnique.Grâce aux progrès technologiques réguliers, à savoir l'utilisation de matériaux à "wide band gap" pour les semi-conducteurs, les dispositifs PE sont devenus plus compacts et efficaces, mais cela a malheureusement entraîné une gestion thermique réduite. Ainsi, dans le cadre d'un effort collaboratif entre G2Elab, LEGI et SIMAP, ce travail a étudié l'utilisation de la mousse métallique comme nouvel échangeur de chaleur utilisé dans un système de refroidissement à convection forcée qui peut être intégré dans des modules PE pour un refroidissement supérieur. Les mousses métalliques sont légères, ont de faibles densités, des surfaces spécifiques élevées, une structure à cellules ouvertes et de bonnes propriétés thermiques. Ils sont typiquement classés par leur porosité (ε), leur densité de pores (PPI, pores par pouce) et par le diamètre des fibres solides (df). Les avantages du transfert de chaleur proviennent de la possibilité d'une surface spécifique accrue par rapport à d'autres échangeurs de chaleur, tels que des microcanaux, et de la microstructure tortueuse qui génère des turbulences d'écoulement et améliore les transferts de convection dans le fluide de refroidissement. Les performances thermiques ont été modélisées en développant un modèle analytique qui considérait les échangeurs de chaleur comme un réseau de résistances en série. Ceci a été réalisé en simplifiant les équations LTNE qui régissent le transfert d'énergie à travers les phases solide et fluide. Le modèle a été initialement comparé aux simulations numériques et aux résultats expérimentaux de la littérature scientifique, où il a bien fonctionné. Comme niveau supplémentaire de validation, un banc d'essai expérimental a été conçu et assemblé in-house. Les performances thermiques ont été vérifiées en utilisant des thermocouples pour mesurer le profil de température des phases solide et fluide, et les propriétés hydrauliques ont été trouvées en mesurant la chute de pression à travers les échangeurs de chaleur. Les résultats analytiques et expérimentaux concordaient bien les uns avec les autres, s'écartant en moyenne de moins de 10%. Le modèle a ensuite été utilisé pour optimiser les propriétés physiques des mousses afin de produire un échangeur de chaleur qui maximise les performances thermiques tout en minimisant la puissance hydraulique requise. Les résultats montrent que pour une perte de charge de 50 kPa, la résistance thermique d'un échangeur de chaleur en mousse métallique est de 0,127 K/W. Les mousses métalliques sont donc un matériau d'échangeur de chaleur viable et le modèle proposé dans ce travail peut être utilisé comme un moyen rapide et peu coûteux d'optimisation des performances
Several decades ago, power electronics (PE) emerged as an important discipline in the world of electrical engineering. Thanks to regular technological advancements, namely the use of "wide band gap" materials for semiconductors, PE devices have become more compact and efficient, but this has unfortunately resulted in a reduced thermal management. Thus, as a collaborated effort between G2Elab, LEGI and SIMAP, this work has studied the use of metal foam as a novel heat exchanger used in a forced-convection cooling system that can be integrated into PE modules for superior cooling. Metal foams are lightweight, have low densities, high specific surface areas, an open-celled structure and good thermal properties. They are typically categorised by their porosity (ε), their pore density (PPI, pores per inch) and by the diameter of the solid fibres (df). The advantages to heat transfer arise from the possibility of an increased specific surface area over other heat exchangers, such as microchannels, and from the tortuous microstructure that generates flow turbulence and improves convective transfers within the coolant. Thermal performances were modelled by developing an analytical model that considered the heat exchangers as a network of resistances in series. This was achieved by simplifying the LTNE equations that govern energy transfer through the solid a fluid phases. The model was initially compared with numerical simulations and experimental results from the scientific literature, where it performed well. As an additional level of validation, an experimental test bench was designed and assembled in-house. Thermal performances was ascertained by using thermocouples to measure the temperature profile of the solid and fluid phases, and hydraulic properties were found by measuring the pressure drop across the heat exchangers. Analytical and experimental results agreed well with each other, deviating on average by less than 10%. The model was then used to optimise the foams physical properties in order to produce a heat exchanger that maximises thermal performances whilst minimising the required hydraulic power. The results show that for a pressure drop of 50kPa, the thermal resistance of a metal foam heat exchanger is 0.127 K/W. Metal foams are thus a viable heat exchanger material and the model proposed in this work can be used as a quick and inexpensive means of performance optimisation

L’extraction de matières premières du sol à des fins énergétiques (récupération assistée d’huile) et environnementales (dépollution des sols) fait l’objet de recherches intensives en lien avec des thématiques telles que la séquestration du carbone ou la fracturation hydraulique. L’objectif est de trouver des méthodes moins destructives, moins gourmandes en matériel et en énergie, mais aussi plus efficaces et moins coûteuses. Nous proposons d’étudier une méthode alternative aux moyens conventionnels avec l’utilisation de mousses aqueuses comme agent extracteur d’huile. Les mousses aqueuses sont souvent utilisées en présence d'huile : dans des applications quotidiennes comme la cosmétique et la détergence, mais aussi dans des domaines moins connus comme la décontamination des centrales nucléaires ou l’industrie pétrolière. Ainsi, des tensioactifs et du gaz sont couramment injectés dans le sol afin d'améliorer les procédés de récupération de pétrole. Nous explicitons deux mécanismes d'extraction que nous quantifions en termes d'efficacité et de stabilité. Tout d'abord, la mousse peut aspirer de l'huile en son sein, comme le ferait une éponge. Ensuite, lorsque celle-ci est mise en écoulement, elle peut entraîner de l'huile confinée dans la rugosité d'une surface par cisaillement. Notre étude s’appuie en particulier sur une analyse théorique et expérimentale, à la fois multi-échelle, statique et dynamique pour laquelle nous avons systématiquement fait varier les paramètres géométriques (configuration de l'huile, taille des bulles et fraction volumique de liquide dans la mousse) et physico-chimiques (tensions interfaciales, rigidité des interfaces entre bulles et viscosité)
The extraction of raw materials from the soil for energetical (enhanced oil recovery) and environmental purposes (soil remediation) is the subject of intense fundamental and applied research. This field is related to other important topics, such as carbon sequestration and hydraulic fracturing. The goal is to find fewer destructive, as well as energy and material-saving methods. These techniques should also be cost-effective and more efficient. To find a substitution to conventional means, we study an alternative method that puts aqueous foams on the map as the extraction material. Aqueous foams are often used in numerous daily applications, such as cosmetics and detergency, but also in less known fields, such as the decommissioning of nuclear power plants and the oil industry. Thus, surfactants and gas are commonly injected into the soil to improve the recovery processes of oil. We explain two extraction mechanisms that we quantify in terms of efficiency and stability. On one hand, the foam is able to absorb oil, similarly to a solid sponge. On the other hand, when a flow of foam is induced, the foam can entrain oil confined in the roughness of a surface by shearing the oil-water interface. Our work especially lies on a theoretical and experimental analysis, which is multiscale, static and dynamic. We systematically vary the geometrical parameters (oil configuration, bubble size and liquid fraction in the foam) and the physical and chemical parameters (interfacial tensions, interfacial rigidity and viscosity)

Les transducteurs électroacoustiques ainsi que les dispositifs piézoélectriques sont les principales méthodes de génération acoustique dans un gaz ou un liquide. Un mouvement mécanique d’une membrane crée une vibration du fluide générant une onde acoustique. La thermoacoustique en revanche utilise des variations rapides de température d’un matériel pour exciter un fluide. Ces changements thermiques rapides créent une compression dilatation de l’air qui va générer une onde acoustique. De tels matériaux sont appelés thermophones. Dans cette thèse une vaste revue de littérature est présentée et un modèle innovant multicouche de génération thermoacoustique en est déduit. Ce modèle est résolu pour la génération d’ondes planes, cylindriques et sphériques. Un second modèle basé sur une hypothèse dite de deux températures est aussi créé pour représenter de façon plus fidèle la génération thermoacoustique dans un milieu poreux épais. Une analyse étendue des résultats découlant de ces modèles est ensuite faite permettant la compréhension des forces, faiblesses et particularités des thermophones par rapport aux transducteurs traditionnels. Enfin une analyse expérimentale de mousses carbonées en partenariat avec CINTRA Singapour est présentée. Cela permet la validation des modèles théoriques et procure une compréhension expérimentale sur la manipulation de ce type de matériaux flexibles et légers mais fragiles, ainsi que leurs potentielles applications scientifiques et commerciales
Electroacoustic transducers along with piezoelectric devices are the most widely used methods for acoustic sound generation in gas and liquids. A mechanical movement of a membrane induces fluid vibration thus creating an acoustic wave. The thermoacoustic process on the other hand uses fast paces temperature variations in a sample to excite the fluid (generally air). The rapidly changing temperature generate a compression expansion of the air and thus creates an acoustical wave. Such materials are called thermophones.In this thesis a thorough literature review is presented and a novel multilayer model for thermoacoustic sound generation is derived. This model was solved for plane wave, cylindrical wave and spherical wave generation. Another model based on a two temperatures hypothesis for plane wave generation is also solved to represent more accurately the generation of thick porous thermophones. An extensive analysis of those models allowed for a detailed understanding of the thermoacoustic sound generation: its strengths, weaknesses and differences with traditional speakers. Lastly, experimental investigations of porous carbon foams in partnership with CINTRA Singapore are presented. Validation of the models and insights about the handling of such flexible and lightweighted but fragile samples are presented as well at their potential applications for scientific or commercial purposes

Les transferts thermiques par rayonnement et conduction couplés dans des mousses isolantes à pores ouverts sont modélisés à partir de la morphologie du matériau et des propriétés de ses phases solide et gazeuse. Le cas du régime permanent et d'une géométrie monodimensionnelle a été considéré. Un moçlèle simpie de type paralièle-série à maille cubique a permis de prédire la conductivité phonique de ces matériaux. Les propriétés spectrales volumiques d'absorption, de diffusion et la fonction de phase ont été prédites à partir des dimensions des particules constitutives de la structure solide et de leur réflectivité hémisphérique, par une application combinée des lois de l'optique géométrique et de la théorie de la diffraction à ces particules. Ces propriétés ont ensuite été utilisées dans un modèle de couplage conduction-rayonnement. La méthode des ordonnées discrètes ou le modèle de Rosseland utilisé avec un coefficient d'extinction corrigé ont été successivement adoptés pour résoudre les équations du transfert radiatif. Trois types de mousse de carbone de porosités différentes ont permis de valider la modélisation. La réflectivité du carbone contenu dans ces matériaux a été déterminée par une méthode d'identification (méthode de linéarisation de Gauss) appliquée à des données de transmittance spectrale bidirectionnelle acquises avec un montage expérimental utilisant un spectromètre à transformée de Fourier. De plus des expériences sur un dispositif de plaque chaude gardée ont permis de comparer des résultats de conductivités globales expérimentales et théoriques, contribuant ainsi à la validation de la modélisation réalisée
Coupled heat transfer by radiation and conduction in open cells insulation is modelized from the material morphology and the two phases : solid and gas, properties. A simple cubic model is used to predict the conductivity in these materials. The spectral volumetric absorption and scattering coefficients and the spectral phase function were predicted from the dimensional and hemispherical reflectivity of particles which constitute solid structure by applying to thee particles a combination of geometric optics law and of diffraction theory, these properties are then utilized in a coupled conduction-radiation model. The discrete ordinate method or the Rosseland model used with a weighted extinction coefficient were successively adopted to solve the radiative heat transfer equations. The carbon reflectivity contained in these materials is determined by an identification method (Gauss method of linearization) applied to bidirectional spectral transmittance data obtained from an experimental device using a Fourier transform infrared spectrometer. Moreover experiences on a device of graded hot plate-type have permitted to compare results of experimental and theoretical total conductivity thus contributing to the validation of the realized modeling

Thèse doctorat : Acoustique : Villeurbanne, INSA : 2006. Thèse doctorat : Acoustique : Université de Sherbrooke, Canada : 2006.
Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre. Contient de références bibliographiques.

Les structures tridimensionnelles cellulaires à forte porosité comme les mousses métalliques permettent d'obtenir des gains substantiels en termes d'intensification de transferts de chaleur, de mélanges et de réactions chimiques. Ces matériaux fortement poreux, dont l'utilisation est relativement récente, sont encore mal caractérisés en termes de propriétés de transports et d'écoulement. Les objectifs de ce travail sont la caractérisation des écoulements monophasiques et liquide-gaz dans les mousses métalliques, la compréhension des mécanismes les régissant et enfin la corrélation des résultats à la morphologie des mousses. En écoulement monophasique, deux fluides ont été utilisés : un liquide (eau) et un gaz (air). Nous avons montré que les effets liés à la compressibilité du fluide doivent être pris en compte dès les faibles vitesses. La loi de Forchheimer est la mieux adaptée pour prédire les pertes de pression en écoulement (ReDp 10-10000). Une loi simple reliant les paramètres d'écoulement et la structure de la mousse a été obtenue. La partie diphasique constitue la première étude relative aux écoulements liquide-gaz à co-courant dans les mousses solides. Nous avons établi une base de données conséquente (520 conditions d'écoulement différentes) et confronté nos résultats à différents modèles d'écoulement liquide-gaz. Nous avons montré que tous étaient utilisables en l'état pour effectuer des dimensionnements à des fins industrielles. Cependant, aucun argument ne se dégage objectivement pour privilégier l'un ou l'autre d'entre eux. Nos mesures montrent que la prise en compte simultanée des paramètres fondamentaux que sont le titre, la saturation et le débit masse total, est nécessaire pour progresser vers la compréhension des mécanismes d'écoulement et l'élaboration de modèles plus précis

Les mousses rigides constituent une classe très importante de matériaux de par leur large champ d’applications et de leur poids économique considérable. Le développement de mousses à base de tannins a permis d’obtenir des matériaux issus à 90% de produits naturels. Dans ce travail, un type de tannins très réactif dit « procyanidine », a été employé. Les formulations et la technologie de fabrication de mousses rigides ont été développées à partir de tannins extraits d’écorce de pin et d’épicéa. Dans un premier temps, la composition et la réactivité des tannins ont été étudiées. Ensuite, l’étude du processus de moussage des résines à base de ces tannins a permis l’élaboration d’une large gamme de mousses rigides tannin-furanique. Leur excellente résistance au feu, leur résistance mécanique et leur haute performance thermique en font des matériaux d’isolation de haute qualité. Ces mousses peuvent également être employées comme absorbeurs acoustiques. De plus, de nouveaux solides cellulaires à base de tannins et de protéine ont également été développés, proposant ainsi un nouveau type de matériaux issu de produits naturels
Rigid foams contitute a very important class of materials considering their wide application range and their considerable economic impact. The development of tannin-based foams provided materials made from 90% natural products.In this work, a type of tannins highly reactive, namely « procyanidin », was used. First, tannins composition and reactivity were studied. Then, the foaming process investigation of tannin-based resins leads to a wide pannel of tannin-furanic rigid foams. Their excellent fire resistance, mechanical resistance and high thermal performance make them high quality insulation materials. These foams are also suitable for other applications such acoustic absorption. Thus, new cellular solids from tannin and protein were also developped, offering a new type of materials derived from natural products

Cette thèse se focalise sur les écoulements gaz-liquide dans un milieu poreux, problématique rencontrée dans des domaines variés allant de la physique fondamentale à la chimie appliquée. Nous avons caractérisé expérimentalement les régimes hydrodynamiques dans deux géométries différentes : un canal millifluidique (écoulement quasi-1D) et une cellule de Hele-Shaw (écoulement quasi-2D). L’originalité de ce travail est d’analyser l’effet du milieu poreux (lits de billes polydisperses ou mousses solides à cellules ouvertes), du confinement (1D/2D) et de la gravité en couplant des approches locales et globales développées dans les communautés de physique expérimentale et de génie chimique. D’une part, une analyse globale a permis de quantifier les pertes de charge [1] et, basée sur le transport d’un traceur fluorescent, les distributions de temps de séjour [2] et le transfert gaz-liquide dans l’expérience 1D ; d’autre part, une analyse locale de la fraction liquide et l’évolution spatio-temporelle de son contenu fréquentiel ont permis de mettre en évidence deux régimes hydrodynamiques dans le canal millifluidique [3-5] : un régime pseudo-Taylor, où les caractéristiques de l’écoulement périodique amont sont conservées, et un régime modulé, pour lequel l’écoulement se désorganise à l’entrée du milieu poreux. Un modèle phénoménologique basé sur la propagation des bulles dans le milieu est proposé, et rend compte de l’existence de ces deux régimes [4,5]. Enfin, ces deux analyses sont couplées pour étudier les écoulements dans la cellule de Hele-Shaw, et une analyse dimensionnelle de l’effet du confinement et de la gravité sur les écoulements gaz-liquide dans un milieu poreux est proposée.Références –[1] M. Serres, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Geophys. Res. Lett. (2017). [2] M. Serres, D. Schweich, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Chem. Eng. Sci. (2017).[3] M. Serres, R. Philippe & V. Vidal, Compte-rendus de la 19e Rencontre du Non-Linéaire, Eds. E. Falcon, M. Lefranc, F. Pétrélis & C.-T. Pham, Non-Linéaire Publications, 109-114 (2016).[4] M. Serres, M.-L. Zanota, R. Philippe & V. Vidal, Int. J. Multiphase Flow 85, 157-163 (2016).[5] M. Serres, T. Maison, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Int. J. Multiphase Flow (2017)
This thesis focuses on gas-liquid flow in porous media, a common problem encountered in various domains from fundamental physics to applied chemical engineering. We have characterized the hydrodynamic regimes based on two different experimental devices geometry: a millichannel (1D flow) and a Hele-Shaw cell (2D flow). The originality of this work is to analyze the influence of the porous medium (monodisperse micro-packed beds or open cell solid foams), confinement (1D/2D) and gravity by coupling global and local analysis from either chemical engineering or fundamental physics community. On the one hand, a global analysis made it possible to quantify pressure drops, residence time distributions (RTD) based on fluorescent dye transport and gas-liquid mass transfer on the 1D device. On the other hand, a local analysis of the liquid fraction and the spatio-temporal evolution of its frequency pointed out the existence of two hydrodynamic regimes: a Taylor-like regime in which the characteristics of the periodic flow upstream are conserved in the porous medium and a modulated regime characterized by the flow disorganization at the porous medium entrance. A phenomenological model is developed based on bubbles propagation inside the medium and reproduces well both regimes. These two analyses are finally coupled to study multiphase flows inside the Hele-Shaw cell. The effects of gravity and confinement are discussed

Ce travail concerne l’étude acoustique théorique et expérimentale des matériaux poreux à squelette métallique, macroscopiquement homogènes et inhomogènes ainsi que l’étude de leurs propriétés mécaniques de comportement au choc pour comparaison. Le modèle acoustique de Johnson -Champoux - Allard s’est montré adapté pour la modélisation acoustique. Ce modèle associé à une approche proposée récemment et utilisant le concept de matrices de transfert en parallèle a permis, dans une nouvelle approche basée sur les “mélanges de matériaux”, d’étudier les matériaux poreux macroscopiquement inhomogènes. Par ailleurs, une étude paramétrique du coefficient d’absorption en fonction de la porosité et de la fréquence a été proposée. Les maxima d’absorption ainsi que l’enveloppe des courbes d’absorption en fonction de la porosité ont été étudiés. En premier lieu, un matériau théorique à propriétés indépendantes a été étudié. Les matériaux réels à propriétés interdépendantes ont ensuite été abordés à l’aide d’un modèle reliant leurs propriétés à la porosité. Enfin, une comparaison entre les propriétés acoustiques et les propriétés mécaniques de comportement à l’impact a été initiée en vue de déterminer un critère objectif permettant de proposer un compromis entre les deux domaines
This work is concerned with the theoretical and experimental study of the acoustical properties of macroscopically homogenous and inhomogeneous porous media as well as their mechanical response to impacts. The model of Johnson - Champoux - Allard appeared adapted for the acoustical modeling. This model, associated with a recently developed approach involving the concept of parallel transfer matrices has lead to a new approach of macroscopically inhomogeneous porous materials based on “mixtures of materials”. Furthermore, a parametric study of the absorption coefficient as a function of porosity and frequency has been proposed. The maximums of absorption as well as the envelop of the absorption curves have been studied as functions of porosity. First, a theoretical material with independent parameters has been studied. Real materials with nonindependent parameters were then investigated with the help of a model relating their properties to the porosity. Finally, a comparison between the acoustical and mechanical properties has been initiated in view of determining an objective criterion that will allow to propose a trade off between the two fields

L'injection de mousse dans des milieux poreux a été étudiée pour une variété d'applications dans l'industrie pétrolière et récemment pour des procédés de dépollution des sols afin d’éliminer les contaminants. Cependant, l'injection de mousse pour la remédiation des sols n'est toujours pas répandue en raison de la nature complexe de la mousse et des aquifères. Afin d'étudier l'application de la mousse pour la remédiation des sols, nous avons étudié expérimentalement le comportement de la mousse à l'échelle du laboratoire. Le but final de la recherche était d'étudier l'écoulement de mousse pour détourner l'écoulement des eaux souterraines des zones de sols contaminés en tenant compte des caractéristiques de l'écoulement de mousse en milieux poreux hautement perméables. Ainsi, la rhéologie de la mousse pré-générée a été étudiée dans des milieux poreux hautement perméables, dans des tubes capillaires, ainsi qu'à l'aide d'un rhéomètre. De plus, une étude numérique a été menée pour examiner l’écoulement de mousse à plus grande échelle sur la base des résultats de la rhéologie de la mousse hors milieu poreux. En conséquence, il a été démontré que l'écoulement de mousse présente un comportement non newtonien. Nous avons constaté que le comportement d'écoulement de la mousse en milieu poreux très perméables et dans les tubes capillaires est cohérent avec le comportement rhéologique de la mousse hors milieu poreux, si les bulles de mousse sont beaucoup plus petites que la taille des pores des milieux poreux. Ces résultats peuvent guider l'étude de la mousse pré-générée en milieux poreux très perméables
Foam injection in porous media has been investigated for a variety of applications in the oil industry and recently for soil remediation processes to remove contaminants. However, foam injection for soil remediation is still not widespread because of the complex nature of foam and aquifers. In order to investigate application in soil remediation processes, we experimentally studied the behavior of foam on a laboratory scale. The final goal of the research was to study foam flow for diverting the flow of groundwater from contaminated soil areas considering the features of foam flow in highly permeable porous media. Thus, the rheology of pre-generated foam was studied in highly permeable porous media, in capillary tubes, as well as using a rheometer. Moreover, a numerical study was conducted to examine foam flow in a bigger scale based on bulk foam rheology results. As a result, foam flow was showed to feature non-Newtonian behavior. We found that the foam flow behavior in high permeable porous media and in capillary tubes are consistent with the rheology behavior of bulk foam if bubbles are much smaller than the pore size of porous media. Hence, these findings can guide the study of pre-generated foam in very highly permeable porous media

L'objectif de ce mémoire de recherche est de déterminer les propriétés acoustiques des milieux poroélastiques à partir d'une démarche multi-échelle et multi-physique. Il traite d'échantillons réels de mousses, à cellules ouvertes ou partiellement fermées, dont les propriétés microstructurales sont caractérisées par des techniques d'imagerie. Cette information est utilisée afin d'identifier une cellule périodique idéalisée tridimensionnelle, qui soit représentative du comportement acoustique du milieu poreux réel. Les paramètres gouvernant les propriétés acoustiques du milieu sont obtenus en appliquant la méthode d'homogénéisation des structures périodiques. Dans une première étape, la structure des mousses est supposée indéformable. Il a été montré que pour le cas d'une distribution étroite de tailles caractéristiques de la géométrie locale, le comportement macroscopique d'une mousse à cellule ouverte peut être calculé à partir des propriétés géométriques locales de manière directe. Dans le cas d'une distribution étendue, le comportement acoustique du milieu est gouverné par des tailles critiques qui sont déterminées à partir de la porosité et de la perméabilité statique pour une mousse à cellules ouvertes ; pour une mousse à cellules partiellement fermées il est nécessaire d'identifier en plus une dimension connue de la géométrie locale. Nos résultats sont comparés avec succès à des données expérimentales obtenues par des mesures au tube d'impédance. Dans une seconde étape, les propriétés élastiques effectives du milieu poreux sont déterminées. Une modélisation par éléments finis de la cellule représentative a été mise en œuvre. Les paramètres élastiques calculés sont finalement comparés avec les données de la littérature, ainsi qu'à des essais mécaniques
This work aims at determining the acoustical properties of poro-elastic media through a multi-scale method. Some imaging techniques (tomography and micrographs) allow to estimate some quantitative microstructure properties of foams containing open or partially closed cells. These properties are used in order to clarify the features of a representative three-dimensional unit cell of a periodic structure, which mimics the behaviour of the real foam. All parameters controlling the acoustical properties of the porous foam are obtained by using the homogenization of periodic structures. In a first step, the structure of the foam is assumed to be rigid. It was shown that, in the case of a narrow distribution of the characteristic size of the local geometry, a direct computation of the macroscopic behaviour from the local geometrical properties is consistent with the measured acoustical properties. For a wide distribution of pore size, the acoustical behaviour is controlled by critical sizes that are obtained from porosity and static permeability for an open-cell foam, while for partially closed cells, the identification of a complementary characteristic dimension within the pores becomes necessary (e.g. closure rate of membranes). Our results compare well with data obtained from an impedance tube set-up. In a second step, effective elastic properties are computed through a modelling of the foam structure by finite elements. The computed elastic parameters are finally compared with data coming from the literature and with results of mechanical tests

Les matériaux poreux sont omniprésents dans la société grâce à leurs remarquables propriétés provenant de la combinaison de leur structure mésoscopique et de leur nature physico-chimique très versatiles. L’objectif de cette thèse est l’étude du lien entre les propriétés mécaniques de mousses élastomères et leur structure mésoscopique (porosité ouverte ou fermée et diamètre des pores) et la nature physico chimique de matrice élastomère. Pour ce faire il a été nécessaire de synthétiser des matériaux modèles dont il est possible de décorréler les effets dus à la structure et ceux dus à la nature de la matrice polymère. La technique de ‘template’ par émulsion hautement concentrée HIPE (High Internal Phase Emulsion) a été sélectionnée car elle permet de faire varier la structure et la composition chimique de la matrice. Le contrôle des paramètres de l’émulsion (fraction de phase dispersée, nature des monomères et des réticulants, quantité de tensioactif et de réticulant) permet de moduler la morphologie des matériaux. De plus il est possible de changer un des paramètres indépendamment de tous les autres. Cette technique a permis d’obtenir une série de matériaux avec une structure poreuse et une nature physico-chimique contrôlées à façon. Dans le cas particulier des mousses solides élastomères très faiblement réticulées un phénomène d’effondrement des pores peut être observé. Ces mousses sont caractérisées mécaniquement en compression en fonction de trois paramètres physiques : la température de transition vitreuse de la matrice polymère, le taux de réticulation et le diamètre des pores de la mousse. Une étude du module élastique et de la dissipation d’énergie des mousses élastomères a été effectuée dans le but de mieux comprendre le lien avec la nature physico-chimique et la structure mésoscopique des mousses à l’origine des propriétés mécaniques originales. Les réponses temporelles particulièrement lentes de nos élastomères observées lors des essais mécaniques ont conduit à des études de recouvrance des mousses ainsi que la détermination d’un modèle théorique
Foams are everywhere in the society thanks to their remarkable properties resulting from the coupling of their structure and their physico-chemical nature which are very adaptable. The main goal of this thesis is the study of the relationship between mechanical properties of elastomeric foams and their mesoscopic structure (open or closed-porosity and cells diameter) and their physico chemical nature of elastomeric matrix. In this context, it was necessary to synthesize model porous materials with well-controlled densities and structure. HIPE (High Internal Phase Emulsion) template technique was used thanks to its ability modifying matrix chemical composition and structure. Control of emulsion’s parameters (internal phase ratio, monomers and crosslinker nature, surfactant and crosslinker content) enables tuning foam morphology. Moreover it enables to vary one parameter without changing others. Thanks to this method we were able to synthesize elastomeric foams with well-controlled structure and physico-chemical nature matrix. In the real special case of very low crosslinker content, foam collapsing effect has been detected. Foams are mechanically characterized in compression test depending on tree parameters: glass transition temperature of the polymer matrix, crosslinked ratio and cells diameter of the foam. Elastic modulus and dissipated energy are studied to inverstigate more deeply the relationship with physico-chemical nature and mesoscopic structure. Time behavior response of foams leads us to study recovery ratio of foams and we try to determine a theoretical model

Cette thèse s'est focalisée sur un matériau cellulaire métallique modèle, dans le but de fournir à la fois un matériau candidat et des outils de conception d'un revêtement acoustique pour les tuyères de turbomachines. Le problème d'absorption acoustique a conduit à discuter une modélisation analytique descriptive disponible dans la littérature, puis à introduire une technique numérique permettant de prédire les propriétés acoustiques d'un matériau poreux. Pour répondre au besoin industriel de tenue structurale, les propriétés élastiques du matériau ont été calculées numériquement, et l'on a proposé une approche numérique de la microplasticité. Enfin, les outils numériques ainsi réalisés ont été utilisés dans un problème simplifié de conception et d'optimisation de revêtement acoustique.

Cette thèse porte sur la production et l’étude de mousses de polymères micro ou nanoporeux à partir de mélanges nanostructurés à base de PMMA (poly(méthyl méthacrylate)) par dissolution et moussage avec CO2. D’autre part, plusieurs techniques expérimentales ont été améliorées ou adaptées afin de fournir de précieuses informations sur les systèmes étudiés. La nanostructuration de mélanges solides denses à base de PMMA est induite par l’addition d’un copolymère à blocs (MAM, poly(méthyl méthacrylate)-co-poly(butylacrylate)-co-poly(méthyl méthacrylate)). Les structures cellulaires des mousses produites à partir de ces mélanges ont été caractérisées et expliquées ; on a démontré que la nanostructuration agit comme un modèle (un gabarit) pour la structure cellulaire, permettant l’obtention d’un large éventail de structures cellulaires et en particulier des mousses nanocellulaires. De plus il est démontré que les paramètres du procédé, tels que la pression et la température, permettent la différenciation entre les deux voies de moussage utilisées ;ceux-ci ont une influence significative sur les caractéristiques finales des mousses de PMMA seul, mais peu sur celles des mélanges PMMA/MAM. Les mousses dans ces mélanges présentent un mécanisme de nucléation hétérogène contrôlée par la nanostructuration, ce qui permet de limiter l’influence des paramètres de traitement thermique dans la nucléation de la cellule. En outre, certains mélanges de PMMA/MAM présentent également une remarquable stabilité de leur morphologie au cours de la croissance cellulaire, ce qui évite l’effondrement cellulaire et la coalescence.Enfin, on a étudié l’influence de la transition entre les structures micro-cellulaires et les structures nano-cellulaires sur les propriétés : une nette diminution de la conductivité thermique en raison de l’effet de Knudsen que nous avons mis en évidence, une augmentation notable de la température de transition vitreuse en raison de l’isolement des chaînes de polymères dans les parois (les murs) de la cellule ; mais n’avons pas noté d’influence importante de cette transition sur le module de Young
This dissertation focuses on the production and study of nanocellular foams from PMMA based(poly(methyl methacrylate) materials by CO2 gas dissolution foaming.Due to the novelty of this research field several experimental techniques have been improved or adapted in order to provide valuable information from the systems understudy. Nanostructuration of PMMA-based blends induced by the addition of a block copolymer (MAM, poly(methyl methacrylate)-b-poly(butyl acrylate)-b-poly(methyl methacrylate)) and the cellular structure of the foams produced from these blends have been characterized and related; obtaining that the nanostructuration acts as a pattern for the cellular structure, allowing obtaining a wide range of cellular structures and in particular nanocellular foams. It is demonstrated that processing parameters, such as pressure and temperature, allow differentiating between two foaming routes ; and present a significant influence on the foaming process and final characteristics of neat PMMA foams, but not on PMMA/MAM blends. PMMA/MAM blends present a heterogeneous nucleation mechanism controlled by the nanostructuration that avoid the influence of the processing parameters in the cell nucleation. In addition, some PMMA/MAM blends also present a high stability during the cell growth, avoiding the cellular collapse and coalescence. Finally, it has been studied the influence on the foams properties of the transition between the microcellular and the nanocellular ranges; obtaining that there is a clear influence on the thermal conductivity, which decreases in nanocellular foams due to the Knudsen effect,and the glass transition temperature, which increases in nanocellular foams due to the confinement of the polymer chains in the cell walls, but not on the Young’s modulus
Esta tesis se centra en la producción y estudio de de espumas poliméricas nanocelulares producidas a partir de materiales basados en PMMA (poli(metil metacrilato)), mediante la técnica de espumado por disolución de gas usando CO2. Debido a la novedad de este campo de investigación ha sido necesario mejorar o adaptar varias técnicas experimentales para obtener la información necesaria de los sistemas bajo estudio. Se han caracterizado y relacionado la nanoestructuración de mezclas basadas en PMMA, inducida por la adición de un copolímero de bloque (MAM, poli(metil metacrilato)-copoli(butil acrilato)-co-poli(metil metacrilato)), y la estructura celular de las espumas producidas a partir de esas mezclas; obteniéndose que la nanoestructuración actúa como patrón para la estructura celular, permitiendo obtener una amplia variedad de estructuras celulares y en particular de estructuras nanocelulares.Se ha demostrado que los parámetros de procesado, como la presión y temperatura,permiten diferenciar entre dos rutas de espumado y presentan una influencia significativa en las características finales de las espumas de PMMA puro, pero no en las mezclas de PMMA/MAM. Estas mezclas presentan un mecanismo de nucleación heterogénea controlado por la nanoestructuración, que evita que los parámetros de procesado influyanen el proceso de nucleación de las celdas. Además, algunas mezclas de PMMA/MAM también presentan una alta estabilidad durante el crecimiento de las celdas, evitando el colapso de la estructura celular y la coalescencia.Finalmente, se ha estudiado la influencia en las propiedades de las espumas de la transición entre el rango microcelular y el rango nanocelular; obteniéndose que hay una clara influencia sobre la conductividad térmica, que decrece en las espumas nanocelulares debido al efecto Knudsen, y sobre la temperatura de transición vítrea, que se incrementa debido al confinamiento de las cadenas poliméricas en las paredes de las celdas, pero no sobre el módulo de Young

L’étude de la propagation des ondes mécaniques dans les milieux poreux saturés s’est développée avec la recherche des ressources naturelles comme l’eau ou le pétrole. Parallèlement et plus récemment grâce aux progrès de l’informatique et de l’électronique, l’imagerie médicale par ultrasons a fait des grand progrès et commence à concurrencer des procédés plus classiques comme les rayons X. Deux modèles se sont impos´es aux chercheurs: le mod`ele de Biot et le modèle du fluide équivalent. Le modèle de Biot prend en compte trois effets de couplages entre fluide et structure, et on peut montrer que la théorie de Biot est le modèle le plus général pour décrire la propagation linéaire des ondes acoustiques dans les milieux poreux saturés. L’introduction des inhomogénéités dans le modèle de Biot est relativement récent. Les causes de ce retard sont multiples : d’une part les inhomogénéités viennent compliquer un modèle qui fait intervenir déjà un nombre important de paramètres (masse volumiques, coefficient d’élasticité, géométrie du réseau des pores. . . ) et d’autres part, les études expérimentales sur des échantillons réels sont difficiles à réaliser. Pourtant, si on souhaite investiguer des milieux poreux comme l’os trabéculaire à l’aide d’ultrasons il est essentiel de tenir compte des inhomogénéités dans ce type de milieux : épaisseur des trabécules, taille des pores, variations de la masse volumique des fluides saturants. . . Des résultats expérimentaux obtenus montrent que les mesures acoustiques permettent de mesurer les principaux paramètres nécessaires pour modéliser la propagation dans les poreux. Par ailleurs, un modèle statistique de Biot a permis de montrer la possibilité de quantifier les inhomogénéités de l’os trabéculaire
The study of the mechanical wave propagation in the saturated porous media developed with the research of the natural resources like water or oil. In parallel and recently the progress of data processing and electronics, the medical imagery by ultrasound made great progress and to start to compete with processes more traditional as X-rays. Two models were binding to the researchers: the Biot model and the equivalent fluid model. The Biot model takes into account three effects of couplings between fluid and structure, and we can show that the Biot theory is the most general model to describe the linear acoustic wave propagation in the saturated porous environments. The introduction of the inhomogeneities into Biot model is relatively recent. The causes of this delay are multiple: on the one hand the inhomogeneities come to complicate a model which utilizes already a significant number of parameters (density, elasticity modulus, geometry of the pore. . . ) and other share, the experimental studies on real samples are difficult to realize. However, if we wishes to study porous media as the trabecular bone using ultrasound, it is essential to take account of the inhomogeneities in this type of mediums: thickness of the trabeculaes, size of the pores, variations of the density of the saturating fluids. . . Experimental results obtained show that the acoustic measurements make it possible to measure the principal parameters necessary to model the propagation in the porous

Ce travail s'inscrit dans une perspective de valorisation d'un materiau poreux de type reticule: les mousses metalliques. Il comporte deux etapes. La premiere partie est consacree a la caracterisation de l'hydrodynamique a travers des lits fixes de mousses et a la determination de parametres structuraux lies a l'ecoulement. Elle s'appuie sur des mesures de chutes de pression et une analyse de la distribution des temps de sejour. Plusieurs proprietes intrinseques de ce materiau ont ainsi pu etre mises en evidence dont une importante surface specifique dynamique, une tortuosite proche de l'unite, ainsi qu'une relative isotropie et une faible dispersivite vis-a-vis de l'ecoulement. Les mousses metalliques presentent donc les principales qualites requises pour la constitution d'electrodes volumiques. Dans un second temps, elles ont ete testees dans un electrolyseur de type filtre-presse, l'electrosyncell, en tant qu'electrodes volumiques. On a pu montrer que l'hydrodynamique de cet electrolyseur est legerement modifiee par la presence des mousses. L'ecoulement n'est plus de type piston dans la zone reactionnelle, mais cette modification est largement compensee par l'augmentation substantielle de la surface reactive. D'autre part, l'emploi des mousses rend possible une nouvelle application de l'electrosyncell consistant a travailler sans membrane, avec un seul circuit hydraulique. Avec ce systeme, on a etudie le coefficient de transfert de matiere a l'electrode de travail et teste le taux de conversion lors d'une reaction electrochimique classique. Les resultats obtenus prouvent l'applicabilite du systeme propose et encouragent son developpement