Thèse Cinématique d'Écoulement dans des Milieux Poreux 3D H/F - Aix Marseille Université

Établissement : Aix Marseille Université
École doctorale : Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Laboratoire de recherche : RECOVER - Risques, Ecosystèmes, Vulnérabilité, Environnement, Résilience
Direction de la thèse : Mathieu SOUZY ORCID 0000000248358971
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-07-31T23:59:59

Les géomatériaux sont des milieux poreux complexes présentant un large éventail de microstructures qui régissent la cinématique d'écoulement des fluides interstitiels (principalement l'eau). Lorsque des résines ou des bactéries sont injectées afin de stabiliser et renforcer les propriétés de résistance mécanique d'un sol, ou lors du transport de polluants dans les sols, le processus de dispersion et d'homogénéisation du soluté dans le poreux environnant est directement dicté par la microstructure locale et le réseau de pores. Lors d'évènements de crues, l'infiltration d'eau excédentaire dans le corps d'un ouvrage hydraulique en remblai, notamment en présence de canaux d'érosion ou de fractures, peut menacer l'intégrité structurelle de l'ouvrage hydraulique. La compréhension des mécanismes à petite échelle (celle du pore) est par conséquent cruciale pour anticiper et contrôler les processus de transports et de mélange à l'échelle macroscopique.

Ce projet de thèse envisage de caractériser les effets de la microstructure sur la cinématique d'écoulement au sein d'un milieu poreux, en utilisant des techniques optiques de visualisation directe dans des milieux poreux 3D modèles en laboratoire. A l'aide de techniques d'ajustement iso-indice optique et de PIV (Particles Image Velocimetry), le projet ambitionne de reconstruire le champ de vitesses 3D dans le coeur de milieux poreux modèles présentant un niveau de complexité microstructurelle croissant. En particulier, nous nous intéresserons à l'effet de la distribution de taille de pores et la présence d'une fracture, sur les distributions de vitesses et les processus de transports. Enfin, on s'intéressera au colmatage des pores, lorsqu'une suspension de particules est injectée au sein d'un milieu poreux. L'ensemble des don-nées expérimentales obtenues sera par ailleurs mis à disposition afin d'enrichir des bases données à ce jour limitées et de servir de benchmark pour le développement de modélisations numériques.

La modélisation des géomatériaux requiert de comprendre comment un ensemble tortueux interconnectés de canaux et de pores impacte l'écoulement du fluide interstitiel. Ce réseau engendre le processus de dispersion et de mélange consécutif d'un scalaire passif qui serait transporté par le fluide interstitiel, comme par exemple une concentration en colorant ou un champ de température. Ces processus de transport sont fondamentalement contrôlés par la distribution des vitesses d'écoulement à l'échelle du pore. Historiquement, les milieux poreux ont souvent été étudiés à l'échelle de Darcy en les approximant à un milieu continu présentant une distribution de perméabilité. La loi de Darcy n'a cependant qu'un domaine de validité restreint, et elle ne permet pas d'expliquer certains mécanismes observés dans les milieux poreux, comme par exemple le caractère anormal du processus de dispersion qui ne répond pas à une loi de Fick, que ce soit dans la direction longitudinale de l'écoulement ou dans les directions transverses. Ce processus de dispersion est crucial car il traduit comment une tache de colorant, qui serait injectée au sein d'un milieu poreux, va explorer le milieu qui l'entoure. Par ailleurs, lors du processus de dispersion, la tache de colorant va peu à peu se déformer pour créer un ensemble de lamelles : un processus de dispersion efficace est donc le préalable à un étirement intensif de ses lamelles de colorant, menant à une homogénéisation rapide des niveaux de concentration, c-à-d à un mélange efficace. Depuis les travaux de Berkowitz et al. (2006), il a été démontré que la dispersion anormale observée dans les milieux poreux peut s'expliquer à l'aide d'un CTRW (Continuous Time Random Walk), à condition de connaître la distribution des vitesses au sein du milieu considéré. En dépit du développement croissant de méthodes numériques pour résoudre les écoulements dans ces configurations complexes (comme la modélisation LBM-DEM ou SPH) y compris au sein de l'équipe d'accueil, seul un nombre restreint d'études expérimentales ont été réalisées afin de quantifier les distributions de vitesse. A cause de la nature opaque des géomatériaux, la caractérisation de ces champs de vitesse est particulièrement difficile dans les milieux poreux 3D. Souzy et al. (2020) ont montré que le développement des méthodes d'ajustement iso-indice optique permet de visualiser directement l'écoulement au coeur d'un matériaux poreux artificiel. Après avoir reconstruit le champ de vitesse 3D mesuré expérimentalement, une explication du phénomène de dispersion anormale a été proposée, basée sur les distributions de vitesses mesurées. Ces travaux ont été réalisés pour un milieu poreux artificiel composé d'un empilement de sphères monodisperses.
Récemment, d'autres travaux au sein de l'unité d'accueil employant une approche numérique suggèrent que dans une milieu polydisperse, les distributions de vitesses sont moins élargies, menant à un processus de dispersion moins intense.
Le présent sujet de thèse propose de faire usage des techniques expérimentales évoquées afin d'étudier en laboratoire l'effet de la complexité de la microstructure et des hétérogénéités (polydispersité, fracture, colmatage de certains pores) sur l'écoulement, les distributions de vitesses, et les processus de transport (dispersion et mélange). Les travaux proposés au cours de ce projet de thèse, et qui font usage de méthodes innovantes de visualisation directe dans les milieux poreux, permettront ainsi de répondre à de nombreuses questions qui demeurent aujourd'hui encore ouvertes. Par ailleurs, les champs de vitesses 3D qui seront mesurés expérimentalement permettront de complémenter les approches numériques récentes, et de servir de benchmark pour la validation de ces méthodes numériques. En effet, il y a à ce jour de fortes lacunes en terme de base de données expérimentales de champs de vitesse 3D disponibles et permettant de quantifier la précision des méthodes numériques plus ou moins résolues spatialement qui sont utilisées aujourd'hui (CFD résolue et non résolue, LBM, PFV, SPH ...).

Caractériser les effets de la microstructure sur la cinématique d'écoulement au sein d'un milieu poreux, en utilisant des techniques optiques de visualisation directe dans des milieux poreux 3D modèles en laboratoire.
Reconstruction du champ de vitesses 3D dans le coeur de milieux poreux présentant un niveau de complexité microstructurelle croissant.

Parmi les questions adressées dans cette thèse:
-Comment la distribution des tailles de pores affecte la distribution de vitesses ? Quel est l'effet de la polydispersité des grains composant le milieu poreux sur la cinématique d'écoulement ?

-Quel est l'impact d'une forte hétérogénéité comme une fracture sur les processus de transports ? Lorsque du colorant est injecté dans un géomatériaux présentant un canal d'érosion interne, est-ce que le soluté s'écoule intégralement au travers du canal qui joue le rôle d'un chemin préférentiel ? Comment se disperse-t-il et se mélange-t-il dans le milieu environnant ?

-Lorsque le fluide interstitiel transporte une suspension de particules fines, comment le processus de colmatage des pores affecte les propriétés d'écoulement ?

Approche expérimentale, techniques de visualisation directe des écoulements, ajustement iso-indice de réfraction optique, Particle Image Velocimetry, Particle Tracking Velocimetry, analyse d'image, reconstruction 3D

Candidat(e) avec un diplôme de M2 en mécanique des fluides, mécanique, ou géotechnique.
La thèse étant très largement expérimentale, Ie(la) candidat(e) doit avoir un fort intérêt pour l'expérimental, l'apprentissage de techniques de laboratoire, et de bonnes connaissances en mécanique des fluides. II(elle) prendra en main un dispositif expérimental déjà fonctionnel et en place au laboratoire, se l'appropriera et effectuera des campagnes expérimentales, ainsi que le post-traitement par analyse d'images (PIV, particle tracking, reconstruction 3D).
Les compétences recherchées sont : motivation pour la recherche, autonomie et capacité à collaborer en équipe, capacité à formuler des concepts, curiosité, critique constructive, persévérance et rigueur scientifique.