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Sur le phénomène de cristallisation discrète à la surface ou à l'intérieur d'un milieu poreux

Veran-Tissoires, Stéphanie (2011) Sur le phénomène de cristallisation discrète à la surface ou à l'intérieur d'un milieu poreux. (Discrete crystallization phenomenon at the surface or inside a porous medium.)

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Abstract

L'évaporation d'eau chargée en sels fait partie des processus de dégradation d'un milieu poreux. Lors de l'évaporation, les sels vont s'accumuler à l'interface liquidegaz, pouvant aller jusqu'à la cristallisation. Lors de la cristallisation, des contraintes importantes sont exercées sur lamatrice solide dumilieu poreux, ce qui à terme peut la détériorer. Les travaux présentés ici portent sur l'évaporation d'une solution de NaCl en situation demèche et se focalisent sur les phénomènes de transport jusqu'à la cristallisation. Nous avons analysé le lien entre le transport de la vapeur, l'écoulement induit dans la solution par l'évaporation, le transport de sel depuis le réservoir de solution saline vers l'interface, et la cristallisation. Plusieurs études expérimentales ont été réalisées pour différentes configurations de mèche. Par ailleurs, nous avons aussi mis en place divers modèles numériques (approche continue 1D et 2D, réseaux de pores 2D et 3D). Une première étude sur unemèche saturéemet en évidence l'influence de la cristallisation sur les différents transports. Les cristaux forment un nouveaumilieu poreux, favorisant l'évaporation et générant un effet de pompage sur la solution saline. Une deuxième étude sur des mèches saturées a permis d'analyser l'influence de l'évaporation et des propriétés du milieu poreux sur la localisation et le temps d'apparition de la cristallisation. Les expériences montrent une cristallisation discrète à la surface des mèches, se formant préférentiellement dans les zones où l'évaporation est la plus intense. Dans le cas des milieux hétérogènes, la localisation de la cristallisation dépend des propriétés des milieux poreux formant les mèches (porosité et perméabilité). Finalement, la situation d'évaporation en milieu partiellement saturé est étudiée et montre aussi une cristallisation discrète. Nous avons constaté qu'une approche continue classique ne permet pas de prédire correctement la cristallisation en raison des hétérogénéités des fronts. Pour palier ce manque, des modèles de réseaux de pores ont été développés. Les résultats obtenus indiquent que pour une évaporation insuffisante, la cristallisation n'a jamais lieu à l'interface. Lorsque l'évaporation augmente, la proportion de fronts amenant à la cristallisation augmente. Lorsque l'évaporation devient suffisamment intense, la totalité des fronts atteignent la cristallisation. Les zones de cristallisation préférentielles le long des fronts sont identifiées et caractérisées. ABSTRACT : The evaporation of water with dissolved salt is a main source of degradation of porousmedia. As water evaporates, dissolved salts accumulate under the liquid-gas interface, possibly reaching crystallization. As crystals grow, stresses can be generated andmay deteriorate pore walls. In this context, our study focuses onNaCl transport and crystallization processwhich result from evaporation inside or at the surface of the porousmedium. The link between vapour transport, brine flow, salt transport and crystallization, is studied with both experiments and numerical simulations (continuummodels and pore network models). A firstwork on saturatedwicks shows howthe growth of efflorescences affects the different transports occurring during evaporation. Efflorescences create a new porous medium which increases evaporation, and consequently salt transport through the wick, generating a "pumping effect". The influences of evaporation rate distributions and porous medium properties on crystallization are also analysed. Results showthat crystallization occurs in a discrete way over the surface of the saturated wicks, due to the porous medium disorder. In addition, it is found that efflorescences tend to grow preferentially in strong evaporating areas. For heterogeneousmedia, results show that crystallization occurs over the less permeable and the less porousmedium. A study of evaporation inside partially saturatedwicks also indicates discrete crystallization at the front. Classic continuum models can not predict accurately the crystallization over this kind of heterogeneous interface. Pore network models are more suitable to simulate transports with these large scale heterogeneities. Results show that depending on the global evaporation rate at the front, crystallization never occurs, may occur with a certain probability or always occurs. The relation between fronts structures, evaporation rate distribution and transports in the liquid phase, is analysed in order to understand and predict crystallization localization. These crystallization spots are then identified and characterized.

Department or laboratory:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Prat, Marc and Marcoux, Manuel
Uncontrolled Keywords:Evaporation - Sels dissous - Cristallisation - NaCl - Mèche - Hétérogénéité - Drainage capillaro-gravitaire. KEYWORDS : Evaporation - Dissolved salts - Cristallization -NaCl - Wick - Heterogeneity - Drainage
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Hydraulics > Energetics and transfers
Deposited On:25 October 2011

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