Milieu poreux

En science des matériaux , un milieu poreux ou un matériau poreux est un matériau contenant des pores (vides). La partie squelettique du matériau est souvent appelée « matrice » ou « cadre ». Les pores sont généralement remplis d'un fluide ( liquide ou gaz ). Le matériau squelettique est généralement un solide , mais des structures comme les mousses sont souvent également utilement analysées à l'aide du concept de milieux poreux.

Un milieu poreux est le plus souvent caractérisé par sa porosité . D'autres propriétés du milieu (par exemple la perméabilité , la résistance à la traction , la conductivité électrique , la tortuosité ) peuvent parfois être déduites des propriétés respectives de ses constituants (matrice solide et fluide) et de la porosité et de la structure des pores du milieu, mais une telle dérivation est généralement complexe. Même le concept de porosité n'est simple que pour un milieu poroélastique.

Souvent, la matrice solide et le réseau de pores (également appelé espace poreux) sont tous deux continus, de manière à former deux continuums interpénétrants, comme dans une éponge . Cependant, il existe également un concept de porosité fermée et de porosité effective , c'est-à-dire l'espace poreux accessible à l'écoulement.

De nombreuses substances naturelles telles que les roches et le sol (par exemple les aquifères , les réservoirs de pétrole ), les zéolites , les tissus biologiques (par exemple les os, le bois, le liège ) et les matériaux artificiels tels que le ciment et la céramique peuvent être considérés comme des milieux poreux. La plupart de leurs propriétés importantes ne peuvent être rationalisées qu'en les considérant comme des milieux poreux.

Le concept de milieux poreux est utilisé dans de nombreux domaines des sciences appliquées et de l'ingénierie : filtration , mécanique ( acoustique , géomécanique , mécanique des sols , mécanique des roches ), ingénierie ( ingénierie pétrolière , bioremédiation , ingénierie de la construction ), géosciences ( hydrogéologie , géologie pétrolière , géophysique ), biologie et biophysique , science des matériaux . Deux domaines d'application actuels importants des matériaux poreux sont la conversion et le stockage d'énergie , où les matériaux poreux sont essentiels pour les super-accélérateurs, la (photo-) catalyse , les piles à combustible , et les batteries .

Aux niveaux microscopique et macroscopique, les milieux poreux peuvent être classés. À l'échelle microscopique, la structure est représentée statistiquement par la distribution des tailles de pores, le degré d'interconnexion et d'orientation des pores, la proportion de pores morts, etc. La technique macroscopique utilise des propriétés globales qui ont été moyennées à des échelles bien plus grandes que la taille des pores.

Selon l'objectif visé, ces deux techniques sont fréquemment employées car elles sont complémentaires. Il est évident que la description microscopique est nécessaire pour comprendre les phénomènes de surface comme l'adsorption de macromolécules à partir de solutions de polymères et le blocage des pores, alors que l'approche macroscopique est souvent tout à fait suffisante pour la conception de procédés où l'écoulement des fluides , la chaleur et le transfert de masse sont des préoccupations majeures. et les dimensions moléculaires sont significativement plus petites que la taille des pores du système poreux.

L'écoulement des fluides à travers des milieux poreux est un sujet d'intérêt général et a donné naissance à un domaine d'étude distinct. L'étude du comportement plus général des milieux poreux impliquant la déformation du cadre solide est appelée poromécanique .

La théorie des écoulements poreux a des applications dans les technologies d’impression à jet d’encre et d’élimination des déchets nucléaires , entre autres.

De nombreux facteurs influencent l'écoulement des fluides dans les milieux poreux, et sa fonction fondamentale est de dépenser de l'énergie et de créer du fluide via le puits de forage. En mécanique des écoulements via des milieux poreux, le lien entre l'énergie et le débit devient le problème le plus important. La loi la plus fondamentale qui caractérise ce lien est la loi de Darcy , particulièrement applicable aux milieux à pores fins. En revanche, la loi de Forchheimer trouve son utilité dans le contexte des milieux à pores grossiers

Représentation de la phase vide qui existe à l'intérieur des matériaux poreux à l'aide d'un ensemble ou d'un réseau de pores. Elle sert de base structurelle pour la prédiction des paramètres de transport et est utilisée dans le contexte de la caractérisation de la structure des pores.

Il existe de nombreux modèles idéalisés de structures de pores. Ils peuvent être divisés en trois grandes catégories :

• réseaux de capillaires
• des réseaux de particules solides (par exemple, un ensemble aléatoire de sphères)
• trimodal

Les matériaux poreux ont souvent une structure de type fractale , avec une surface de pore qui semble croître indéfiniment lorsqu'elle est observée avec une résolution progressivement croissante. Mathématiquement, cela est décrit en attribuant à la surface du pore une dimension de Hausdorff supérieure à 2. Les méthodes expérimentales pour l'étude des structures des pores comprennent la microscopie confocale et la tomographie à rayons X. Les matériaux poreux ont trouvé des applications dans de nombreux domaines de l'ingénierie, y compris le secteur automobile.

L'une des lois des matériaux poreux est la loi de Murray généralisée . La loi de Murray généralisée est basée sur l'optimisation du transfert de masse en minimisant la résistance au transport dans les pores d'un volume donné, et peut être applicable pour optimiser le transfert de masse impliquant des variations de masse et des réactions chimiques impliquant des processus d'écoulement, la diffusion de molécules ou d'ions.

Pour connecter un tuyau parent avec un rayon de r ₀ à plusieurs tuyaux enfants avec un rayon de r _i , la formule de la loi de Murray généralisée est : , où X est le rapport de variation de masse pendant le transfert de masse dans le pore parent, l'exposant α dépend du type de transfert. Pour un écoulement laminaire α = 3 ; pour un écoulement turbulent α = 7/3 ; pour une diffusion moléculaire ou ionique α = 2 ; etc.