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Modélisation 3D du transport particulaire asynchrone en simple et double continuum matrice-fractures : application au stockage de déchets nucléaires

Lam, Minh-Phuong (2008) Modélisation 3D du transport particulaire asynchrone en simple et double continuum matrice-fractures : application au stockage de déchets nucléaires. (3D asynchronous particle tracking in single ansd dual continuum matrix-fractures : application to nuclear waste storage.)

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Abstract

Ce mémoire présente les travaux réalisés dans le cadre d'une thèse CIFRE en collaboration avec le Laboratoire National d'Hydraulique et Environnement (LNHE) d'EDF R et D et l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT). La thèse a pour objectif in fine de fournir au LNHE un outil numérique précis lui permettant d'étudier la fiabilité d'un stockage de déchets nucléaires en milieu géologique profond. Les travaux réalisés portent plus particulièrement sur le développement et l'implémentation d'une méthode de suivi de particules par marche aléatoire pour modéliser le phénomène de transport 3D dans des milieux poreux hétérogènes (fracturés). Dans une première partie, le rapport présente la méthode particulaire utilisée pour modéliser le transport en milieu poreux, avec une approche discrète haute résolution. Celle-ci s'appuie sur la représentation de l'évolution d'un panache de concentration par le déplacement d'un nuage de particules. Les particules de traceur se déplacent selon un schéma lagrangien asynchrone, implémenté sur un modèle hydraulique 3D, sur un maillage non structuré (éléments finis tétraédriques). L'utilisation de pas de temps asynchrones permet d'éviter, en maillage non structuré, le phénomène de ‘dépassement' inhérent aux autres méthodes particulaires. En pré-traitement, afin de lisser les discontinuités des paramètres de transport, une méthode de filtrage est mise en place. En post-traitement, les concentrations de traceurs sont obtenues à partir des positions de particules en utilisant plusieurs méthodes de filtrage et d'échantillonnage de particules. Les méthodes développées sont illustrées et validées via des problèmes d'advection-diffusion de traceur en milieux homogènes et hétérogènes. Le modèle de suivi de particules à marche aléatoire asynchrone proposé s'avère efficace et satisfaisant. Les tests de validations permettent d'optimiser les paramètre de filtrage et donnent des résultats très proches des solutions de référence (analytique ou à partir de benchmark) dans les cas optimisés. Lorsque les milieux abordés possèdent des hétérogénéités spatialement denses, comme dans le cas des milieux fracturés, le modèle présenté dans la première partie est complété par une nouvelle approche permettant de représenter de façon adéquate le milieu étudié. La seconde partie du travail consiste donc à étendre le modèle particulaire au cas d'un milieu fracturé représenté à l'aide d'une approche double-continuum, dans laquelle la matrice poreuse et les fractures sont représentées par un continuum Matrice et un continuum Fracture. Les propriétés hydrogéologiques qui interviennent dans les équations d'écoulement et de transport des continua sont définies par des paramètres équivalents homogénéisés. Les deux continua sont couplés par des échanges de fluides et de traceurs. Les échanges inter-continuum de traceurs sont représentés par des échanges de particules et sont traités sous la forme de probabilités de transition de particules d'un continuum à l'autre. Des tests sur le modèle de suivi de particules avec l'approche double-continuum sont réalisés sur un réseau régulier de fractures. Les tests effectués pour des continua de contrastes modérés montrent l'adéquation de la méthode double continuum pour cette classe de modèles. ABSTRACT : This PhD research was conducted as a collaboration between Laboratoire National d'Hydraulique et Environnement (LNHE) from EDF R and D and the Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT) in the frame of a CIFRE contract. This PhD thesis aims at providing LNHE a reliable numerical model to study the feasibility of a nuclear waste storage in deep geological structures. The main focus of the thesis is put on developing and implementing a Random Walk Particle Method (RWPM) to model contaminant transport in 3D heterogeneous and fractured porous media. In its first part, the report presents the lagrangian particle tracking method used to model transport in heterogeneous media with a direct high resolution approach. The solute plume is discretized into concentration packets: particles. The model tracks each particle based on a time-explicit displacement algorithm according to an advective component and a diffusive random component. The method is implemented on a hydraulic model discretized on a 3D unstructured tetrahedral finite element mesh. We focus on techniques to overcome problems due to the discontinuous transport parameters and the unstructured mesh. First, we introduce an asynchronous time-stepping approach to deal with the numerical and overshoot errors that occur with conventional RWPM. Then, a filtering method is applied to smooth discontinuous transport parameters (pre-processing). Finally, once the particle displacements are computed, we propose several filtering and sampling methods to obtain concentrations from particle positions (post-processing). Applications of these methods are presented with cases of tracer advection-dispersion in homogeneous and heterogeneous media. For dense fracture networks, direct high resolution methods are very time consuming and need a lot of computational resources. So, as an alternative to the discrete approach, a dual-continuum representation is used, in the second part of the report, to describe the porous matrix and the fracture network. Each material is separately represented by a continuous medium with equivalent homogenised parameters and its own system of governing equations coupled by the exchange rate of water and tracer mass between the fractures and the porous matrix. The exchange of tracer is interpreted with particles transitional probabilities to jump from a continuum to the other. The combination of the asynchronous particle tracking method with a double-continuum approach makes the difficulty of the method. The dual-continuum approach in transport in 3D heterogeneous porous media is applied on a regular fracture network. First results show that the model is adequate for low contrast permeability between the matrix and the fractures

Department:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Ababou, Rachid
Uncontrolled Keywords:Particules - Marche aléatoire - Asynchrones - Maillage non-structuré - Filtrage - Fractures - Double-continuum - Paramètres équivalents homogénéisés - Echanges. KEYWORDS : Particle tracking - RandomWalk - Asynchronous - Filtering - Unstructured 3D mesh - Fractures - Dual-continuum - Equivalent homogenized parameters - Exchange
Subjects:Hydraulics > Earth science and environment
Deposited On:25 September 2008

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