Modeling and numerical simulation of multi-component flow in porous media
Modélisation et simulation numérique d'écoulements multi-composants en milieu poreux
Résumé
This work deals with the modelization and numerical simulation of two phase multi-component flow in porous media. The study is divided into two parts. First we study and prove the mathematical existence in a weak sense of two degenerate parabolic systems modeling two phase (liquid and gaz) two component (water and hydrogen) flow in porous media. In the first model, we assume that there is a local thermodynamic equilibrium between both phases of hydrogen by using the Henry's law. The second model consists of a relaxation of the previous model : the kinetic of the mass exchange between dissolved hydrogen and hydrogen in the gaz phase is no longer instantaneous. The second part is devoted to the numerical analysis of those models. Firstly, we propose a numerical scheme to compare numerical solutions obtained with the first model and numerical solutions obtained with the second model where the characteristic time to recover the thermodynamic equilibrium goes to zero. Secondly, we present a finite volume scheme with a phase-by-phase upstream weighting scheme without simplified assumptions on the state law of gas densities. We also validate this scheme on a 2D test cases.
Cette thèse concerne la modélisation, l'étude mathématique et la simulation numérique des problèmes d'écoulements diphasique (liquide et gaz) multi-composant (principalement eau et hydrogène) en milieu poreux. Le domaine d'application typique concerne le stockage des déchets radioactifs de moyenne et haute activité à vie longue. Ce type d'étude est motivé, entre autre, par une augmentation de la pression au sein du stockage due à un dégagement d'hydrogène au niveau des colis, pouvant ainsi fracturer la roche environnante et donc faciliter la migration des radionucléides. En supposant que le transfert de masse entre l'hydrogène gazeux et l'hydrogène dissous est donné par la loi de Henry un premier modèle est étudié. Une preuve d'existence de solutions faibles pour ce modèle a été réalisée sans hypothèse de petites données et en traitant le modèle complet en considérant que la densité de chaque composant dépend de sa propre pression. Ensuite,nous avons fait évoluer le modèle vers un modèle à transfert de masse dynamique. On établit l'existence de solutions faibles pour ce deuxième modèle avec un principe du maximum sur la saturation liquide et sur la fraction massique d'hydrogène dissous. Parallèlement, un code numérique en 1D a été développé afin de comparer les solutions numériques obtenues entre le premier modèle et le second modèle lorsque la cinétique de changement de phase devient instantanée. Des accords probant ont été obtenus sur différents cas tests dont un issu des cas tests du GNR MOMAS diphasique. Enfin, un schéma numérique de type volumes finis avec un décentrage phase par phase pour la simulation des écoulements diphasiques eau-gaz sous l'hypothèse que la densité de chaque phase dépend de sa propre pression a été proposé. On établit la convergence de ce schéma numérique. Ce schéma a été validé sur un maillage 2D non structuré.
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