On désigne par milieu poreux un solide de forme complexe renfermant des cavités appelées pores. Les milieux poreux sont le siège de multiples phénomènes physico-chimiques et de transport. L'étude de ces phénomènes nécessite la connaissance des propriétés de stockage des fluides, des propriétés de transferts et éventuellement des propriétés mécaniques. Les transferts de chaleur en milieux poreux sont souvent complexes. Cet article introduit les notions indispensables concernant la caractérisation des milieux poreux, puis établit une synthèse et une initiation à des ouvrages plus spécialisés.
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Abdelkader MOJTABI
: Professeur université Paul Sabatier Institut de mécanique des fluides de Toulouse (IMFT), Université de Toulouse, CNRS, Toulouse (France)
Marc PRAT
: Dr CNRS Institut de mécanique des fluides de Toulouse (IMFT), Université de Toulouse, CNRS, Toulouse (France)
Michel QUINTARD
: Dr CNRS Institut de mécanique des fluides de Toulouse (IMFT), Université de Toulouse, CNRS, Toulouse (France)
Jean TAINE
: Professeur CentraleSupélec, Université Paris-Saclay Lab. EM2C, UPR 288 du CNRS Bât. Eiffel, rue Joliot Curie, 91192 Gif-sur-Yvette Cedex (France)
INTRODUCTION
On désigne communément par milieu poreux un solide de forme complexe renfermant des cavités appelées pores. Ces cavités peuvent communiquer entre elles et contenir une ou plusieurs phases fluides pouvant s’écouler et, éventuellement, échanger entre elles et/ou avec le solide de la matière et/ou de l’énergie. La partie solide, encore appelée matrice poreuse, peut être déformable mais doit avoir une certaine cohésion, ce qui exclut de notre définition les lits fluidisés constitués de particules solides tenues en suspension sous l’effet d’un écoulement du fluide interstitiel.
On trouve de nombreux exemples de milieux poreux dans la vie courante : textiles, cuirs, papiers, tissus, matériaux de construction, isolants, sols et formations rocheuses, filtres, revêtements d’échangeurs, plats et légumes déshydratés, tissus biologiques, réacteurs nucléaires, colonnes de génie chimique, etc.
D’une très grande variété, aussi bien de structure (forme et taille des grains et des pores de la matrice, figure 1) que de nature (propriétés physico-chimiques des matériaux constitutifs) ou d’échelles spatiales (plusieurs dizaines de kilomètres cubes pour les gisements d’hydrocarbures et les nappes d’eau souterraines, à quelques millimètres cubes pour certains types de membranes filtrantes), les milieux poreux occupent une large place et jouent un rôle important dans de nombreux secteurs industriels et phénomènes naturels. En se limitant à quelques exemples typiques, on peut notamment citer : le génie pétrolier, le génie chimique et l’électrochimie, l’hydrogéologie, la géothermie, le génie thermique, le génie civil, la médecine, la biochimie, le génie nucléaire…
Les milieux poreux sont le siège de multiples phénomènes physico-chimiques et de transport. L’étude de ces phénomènes nécessite la connaissance des propriétés de stockage des fluides (soit sous forme adsorbée sur le solide, soit remplissant les pores), des propriétés de transferts (masse, quantité de mouvement, énergie) et éventuellement des propriétés mécaniques. Comme pour tous les systèmes hétérogènes polyphasiques, ces propriétés sont évidemment fonction de la morphologie de la matrice et des phénomènes qui se développent et interagissent dans les différentes phases, ce qui rend le champ d’études des transferts de chaleur en milieux poreux particulièrement vaste. De ce fait, les éléments développés ici et dans l’article suivant [BE 8 251] qui traite des transferts de chaleur avec changement de phase n’ont pas la prétention d’épuiser le sujet. Ils tentent simplement, après l’introduction des notions indispensables concernant la caractérisation des milieux poreux, de constituer une synthèse et une initiation à des ouvrages plus spécialisés.
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1. Classification et caractérisation des milieux poreux
Les milieux poreux sont de nature très variée, en particulier du point de vue de la structure géométrique délimitant l’espace poral. Dans ce paragraphe sont introduites un certain nombre de notions de base associées aux propriétés structurales des milieux poreux.
1.1 Classification
La matrice solide d’un milieu poreux peut être :
non consolidée ; la phase solide est alors formée de grains ou de fibres non soudés entre eux (graviers, sables, limons, billes de verre et d’acier, matériaux divers…) ; les billes de verre sont notamment très utilisées en laboratoire pour étudier les phénomènes de transfert en milieu poreux ;
consolidée ; dans ce cas, la matrice solide compacte ne peut pas se diviser en grains ou fibres (roches calcaires, grès, argiles, bois, céramiques, poudres frittées, tissus végétaux et animaux…).
Les phénomènes qui se produisent dans les milieux poreux dépendent de la géométrie de la matrice poreuse ; celle-ci est donc caractérisée par un certain nombre de grandeurs moyennes, géométriques ou statistiques. On ne donne ici que les définitions les plus utilisées. Les grandeurs dites effectives caractérisent le milieu homogène équivalent au milieu poreux.
La porosité est définie comme le rapport du volume des cavités (espace poral) au volume occupé par l’échantillon. On distingue :
la porosité totale qui tient compte des cavités occluses au sein du solide (pores fermés) :
( 1 )
Cette notion est reliée à la masse volumique apparente de l’échantillon vide et à la masse volumique du matériau constitutif (grandeurs souvent manipulées dans de...
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(1) -
SCHEIDEGGER (A.) -
Physics of flow through porous media.
-
3e Ed. University of Toronto Press (1972).
(2) -
TOPIN (F.), BONNET (J.P.), MADANI (B.), TADRIST (L.) -
Experimental analysis of multiphase flow in metallic foam: flow laws, heat transfer and convective boiling.
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Advanced Engineering Material, 8(9), p. 890-899 (2006).
(3) -
LINDQUIST (W.B.), VENKATARANGAN (A.) -
Investigating 3D geometry of porous media from high resolution images.
-
Physics and Chemistry of the Earth, Part A: Solid Earth and Geodesy, 24(7), p. 593-599 (1999).
(4) -
FREDRICH (J.) -
3D imaging of porous media using laser scanning confocal microscopy with application to microscale transport processes.
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Physics and Chemistry of the Earth, Part A: Solid Earth and Geodesy, 24(7), p. 551-561 (1999).
(5) -
VIGNOLES (G.L.), MULAT (C.), GERMAIN (C.), COINDREAU (O.), LACHAUD (J.) -
Benefits of X-ray CMT for the modelling of C/C composites.
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Adv. Eng. Mater., 13(3), p. 178-185 (2011).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Convection naturelle – Aspects théoriques
Convection naturelle – Cas particuliers
Convection thermique et massique – Principes généraux
Convection thermique et massique – Nombre de Nusselt : partie 1
Convection thermique et massique – Nombre de Nusselt : partie 2
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Bibliographie & annexes
English
Modélisation des phénomènes de transfert
