Modélisation d'écoulements multiphasiques de fluides viscoélastiques en milieux poreux

Abstract

Les écoulements multiphasiques viscoélastiques en milieux poreux sont au centre de nombreuses recherches fondamentales et appliquées. Initiés par l’industrie pétrolière, leur développement s’étend aujourd’hui sur un large éventail de domaines tels que le génie civil, les géosciences, les matériaux composites et plus récemment les sciences de la vie. La formulation mathématique de ces problèmes repose généralement sur des équations gouvernantes formulées directement à l’échelle macroscopique, ou dérivées par changement d’échelle à partir des relations microscopiques. Généralement, la seconde approche est privilégiée, car elle permet d’établir une connexion claire entre les différentes échelles de description du milieu poreux et d’identifier les hypothèses res-trictives nécessaires à la formulation du problème. Cependant, lorsque le changement d’échelle est effectué, de nombreux paramètres restent encore à caractériser, et des conditions de fermeture supplémentaires sont à consi-dérer afin d’obtenir un système mathématique fermé. Pour les écoulements d’intérêt, présentant à la fois un caractère multiphasique et viscoélastique, la prise en compte des relations macroscopiques empiriques usuelles peut être trop imprécise pour rendre compte correctement de la physique sous-jacente, et peu de données expé-rimentales permettent de renseigner les paramètres manquants à l’échelle du milieu poreux.Une solution à ce problème consiste à modéliser numériquement les écoulements directement à l’échelle micros-copique afin de retrouver les grandeurs manquantes par des expériences de microfluidique in silico. Dans ces travaux de thèse, une formulation mathématique d’écoulement multiphasique viscoélastique a ainsi été dérivée à l’échelle du pore pour deux applications d’intérêt : la modélisation de la récupération améliorée du pétrole et la croissance tumorale. La dérivation d’un modèle unique pour ces deux applications utilise les lois de conservation de grandeurs extensives à l’échelle microscopiques considérées lors des opérations de changement d’échelle. La formulation résultante permet une description multiphasique à travers une méthode d’interface diffuse et la prise en compte de la viscoélasticité des phases est modélisée par une loi constitutive d’Oldroyd-B. Le modèle mathématique, implémenté dans un code éléments finis, permet d’étudier comment la rhéologie viscoélastique des solutions de polymère peut être utilisée afin d’améliorer la mobilisation du pétrole à l’échelle du pore lors d’opérations de récupération tertiaire. L’influence de la viscoélasticité sur les résultats numériques obtenus, tout comme l’efficacité du procédé, est comparée aux résultats expérimentaux existant de la littérature. Dans un second temps, le modèle mathématique a été spécialisé pour simuler la croissance d’agrégats de cellules cancéreuses de quelques centaines de microns. L’analogie entre les tissus biologiques et les fluides viscoélastiques est courante pour des fins de modélisations mathématiques depuis les travaux de Steinberg sur la dynamique des tissus vivants. Dans cette thèse, cette similarité est utilisée afin d’étudier le comportement d’agrégats tumoraux dans différents environnements. La formulation biomécanique du problème permet de simuler le comportement de populations cellulaires soumises à des chargements mécaniques externes, qui montrent une modulation de leur vitesse de croissance selon l’état de contrainte du milieu. L’utilisation du modèle mathématique dans ce contexte permet d’isoler les effets mécaniques des effets biologiques sur le régime de croissance, et propose des explications originales sur l’évolution d’agrégats tumoraux en milieux confinés. Enfin, les capacités prédictives de la formulation sur plusieurs expériences in vitro permettent d’illustrer la pertinence de l’utilisation de modèles d’écoulements multiphasiques viscoélastiques pour les problèmes de croissances tumorales.