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Rapport de stage de fin d'études S6 : Etude de la perméabilité diphasique des m

Rapport de stage de fin d'études S6 : Etude de la perméabilité diphasique des milieux poreux Université Caddi Ayyad Faculté des Sciences Semlalia ----------------- Département de Physique -------------------------------- Projet de fin d'étude Présenté par : DANI FOUAD EL HYHY YASSINE Etude de la perméabilité des milieux poreux Encadrant : Pr. Lakhal El Khadir Année universitaire : 2008-2009 Réalisé par : DANI Fouad & EL HYHY Yassine 1 Rapport de stage de fin d'études S6 : Etude de la perméabilité diphasique des milieux poreux Remerciements C’est avec notre enthousiasme le plus vif et le plus sincère que nous voudrions rendre mérite à toute personne qui a contribué de prés ou de loin à l’élaboration de ce travail. Ainsi, nous souhaitons exprimer toute notre profonde gratitude au Monsieur Lakhal El Khadir Professeur au département de Physique de la Faculté des Sciences Semlalia d’avoir accepté de diriger ce travail. Nous le remerciant des efforts qu’il a aménagé pour l’aboutissement de ce travail. Nous remercions également le Professeur Mohammed Skouri Responsable de la Filière SMP pour ses encouragements et sa grande disponibilité. Que tous les enseignements chercheurs ayant contribués à notre formation tout au long de ces trois dernières années reçoivent l’expression de nos sincères respects. En fin que tous nos amis de la filière SMP trouvent l’expression de notre meilleure amitié. Réalisé par : DANI Fouad & EL HYHY Yassine 2 Rapport de stage de fin d'études S6 : Etude de la perméabilité diphasique des milieux poreux Table des matières intitulé page Table des matières 3 Introduction générale 4 Chapitre I : Transferts Diphasiques en Milieux Poreux 5 I-1 Intérêt de l’étude 5 I-2 Historique des écoulements 6 I-3 Caractéristiques des milieux poreux 7 I-3.1 Milieu Poreux 7 I-3.2 Potentiel matriciel du milieu poreux 8 I-3.3 Paramètres fondamentaux 10 Chapitre II : Perméabilité diphasique 14 I- Généralité sur la perméabilité 14 I-1 : Définition 14 I-2 Intérêt de l’étude 15 II-2 Application aux écoulements de l’eau dans les sols 16 II-2-1 Equation de Darcy généralisée 16 II-2-2 Equation d’infiltration 18 Conclusion 22 Référence 22 Réalisé par : DANI Fouad & EL HYHY Yassine 3 Rapport de stage de fin d'études S6 : Etude de la perméabilité diphasique des milieux poreux Introduction générale L’étude de la perméabilité des milieux poreux se trouve au carrefour d'un vaste champ d’applications. Depuis plusieurs décennies, elle intéresse plusieurs domaines de recherche tels que : l’écoulement en zone saturée et non saturée, le génie du pétrole, le problème des remontées capillaires dans les ouvrages de BTP, l’agriculture pour l’estimation des besoins en eau des cultures. Le choix de cette loi est dicté par son importance pour la détermination des modèles représentant les écoulements mono et polyphasiques. Notre démarche consiste en premier lieu à identifier, dans de très larges champs d’applications, des problématiques physiques impliquant les milieux poreux et pour lesquelles la perméabilité diphasique est intensivement utilisée pour aboutir à des modèles mathématiques ou empiriques. Le premier chapitre est consacré à donner un large aperçu sur les milieux poreux et les différents paramètres hydrodynamiques qui en découlent. Le second chapitre est consacré à la détermination de l’équation d’infiltration transitoire de l’eau dans les sols faisant intervenir la loi de Darcy. Une des applications de l’équation d’infiltration est aussi présentée et qui permet d’estimer le stock d’eau dans le sol. Ce dernier paramètre est important pour l’estimation des réserves d’eau utiles pour la plante. Le calcul de ses réserves d’eau dans la zone racinaire permet d’optimiser les doses d’irrigation et de contribuer à la gestion des ressources en eau surtout que notre pays est doté d’un climat aride. Enfin, une conclusion sur le présent travail est aussi présentée. Réalisé par : DANI Fouad & EL HYHY Yassine 4 Rapport de stage de fin d'études S6 : Etude de la perméabilité diphasique des milieux poreux Chapitre I : Transferts Diphasiques en Milieux Poreux I-1 Intérêt de l’étude Les phénomènes de l'écoulement des fluides dans les milieux poreux se posent à propos de plusieurs domaines d'application : a) Hydrologie souterraine Elle a pour objet d'étudier les mouvements de l'eau dans les sols par l'utilisation des modèles de Darcy (1856). Ainsi, l'eau de précipitation ou d'infiltration (mer, lac, rivière) pénètre dans le sol. Cette eau est alors arrêtée par la première nappe acquière, ou phréatique ou par les puits, (Fig. 1). L’eau peut s’écouler également dans les couches de roches perméables entre deux couches imperméables et forme ainsi des nappes acquières profondes qui alimentent les puits artésiens c’est le cas où le sommet du puits est une côte inférieure à celle de la surface libre. Puits artésiens Nappe Phréatique Frange capillaire Puits Figure 1 : Nappe phréatique et puits artésiens b) Gisement de pétrole et de gaz naturels Réalisé par : DANI Fouad & EL HYHY Yassine 5 Rapport de stage de fin d'études S6 : Etude de la perméabilité diphasique des milieux poreux En fait, les concepts de l'hydrodynamique des milieux poreux permettent de comprendre les types de mouvements qu'il fallait connaître pour la récupération assistée du pétrole et de gaz naturels. En fait, il faut considérer les mouvements de toutes les phases fluides surtout lorsqu'on injecte de l'eau par d'autres puits pour augmenter la récupération du pétrole en raison de la diminution de la pression. c) Industrie et génie chimique En fait l'industrie chimique utilise les milieux poreux (artificiels) comme des filtres comme catalyseurs. En génie atomique, on utilise les parois poreuses pour séparer les isotopes par diffusion gazeuse. En génie aéronautique, ces parois sont utilisées pour aspirer la couche limite. En génie civil, ou s'intéresse à la présence de l'eau dans les matériaux de construction, dans les terres pour étudier la résistance des matériaux au point de vue mécanique. d) Agriculture En fait, la connaissance fine des mouvements d'eau et de soluté en milieux poreux (zones d'enracinement) sous les conditions climatiques variées permet de déterminer le mode d'irrigation adéquat. Ceci a un avantage double : - Economie d'eau et de fertilisants ; - Accroissement du rendement agricole ; - Réduction des risques de contamination des nappes souterraines. c)domaine du BTP En fait, la connaissance de perméabilité des milieux poreux dans le domaine du BTP, nécessite un très bon résultat sur la qualité du béton, ainsi l’élimination des problèmes de l’infiltration. I-2 Historique des écoulements Dans le domaine de l’écoulement, les premières recherches ont été démarrées par les lois de la mécanique des fluides, depuis Newton, Euler, Bernoulli et Le Rond d'Alembert, les expériences sur les écoulements par Girad, Poiseuille, Coulomb, Barré de Saint-Venant; Stockes réécrira les équations de Navier - stockes en introduisant la viscosité cinématique et Réalisé par : DANI Fouad & EL HYHY Yassine 6 Rapport de stage de fin d'études S6 : Etude de la perméabilité diphasique des milieux poreux la loi de Poiseuille fut écrite par Newman et Hagen Bach à partir des équations de Navier – Stockes. Pour la mécanique des fluides dans les milieux poreux, ce sont les hydrauliciens auxquels revenait le mérite à développer. Après les filtres à Toulouse pour filtrer les eaux de La Garonne sous la direction d'Aubusson, du puits a commencé à imaginer la relation entre débit et charge (1854) et c'est Darcy (1856) qui a démontré la loi expérimentale et qui porte son nom. Ainsi les travaux de Boussinesq, Slichter, Forchheimer... Depuis, les travaux se sont multipliés et surtout grâce aux progrès de la communication entre l'homme et la machine on peut considérer que les problèmes d'écoulements monophasiques sont effectivement résolus mais, on ne peut en dire autant des écoulements poly-phasiques. I-3 Caractéristiques des milieux poreux I-3.1 Milieu Poreux Qu’il soit naturel ou non, un milieu poreux naturel est constitué essentiellement de trois phases, (Figure 2) : a) Phase solide : dite aussi matrice solide (ou squelette du milieu poreux). Elle peut être soit déformable (laine, coton etc..) ou non (billes de verre, sable, argile etc…) selon la nature des constituants solides. Cette distinction prend trois aspects : • Chimique (réactions) ; • Mécanique (force de pression) ; • Géologiques (propre à la géophysique). Pour la phase solide on distingue deux types de constituants : Constituants minéraux : Cailloux et gravier ; Sables grossiers et fins ; Limon ; Argiles. Ces minéraux proviennent surtout de la désagrégation et de l’altération de la roche – mère. Constituants organiques ou matières organiques du sol : Débris végétaux et animaux, Humus (% en Matière Organique est supérieur à 20%). Ces constituants proviennent d’organismes surtout végétaux produits par le sol ou apportés par l’homme (fumier, compost etc.…) b) Phase liquide ou solution du sol : dite aussi phase mouillante qui peut être de l’eau (pure ou non) ou toute autre matière dissoute provenant à la fois de l’altération des roches, de la décomposition des matières organiques et des apports par l’homme (engrais, etc…) Réalisé par : DANI Fouad & EL HYHY Yassine 7 Rapport de stage de fin d'études S6 : Etude de la perméabilité diphasique des milieux poreux c) Phase gazeuse : dite aussi phase non mouillante qui peut être souvent de l’air, uploads/Geographie/ etude-de-permeabilite-dans-les-milieux-poreux-pdf.pdf