Injection de traceur à faible gradient de pression : Débit constant ou pression

pression constante

En vue de simuler à petite échelle une source de gaz en profondeur, nous avons choisi d’injecter le gaz dans un volume d’injection dédié situé à la base de la colonne. Cette méthode d’injection permet de mieux homogénéiser les gaz injectés et de percoler de manière plus uniforme à la base de la colonne de sol. Ce volume occupe une section de tube de 14 cm de hauteur (Figure II-1). Pour créer ce volume, j’ai mis au point un support permettant de retenir le sol au-dessus du volume d’injection. Ce support est composé d’une section de tube PVC de 20 cm de diamètre et 14 cm de haut que j’ai ajouré de plusieurs trous de 4 cm de diamètres. Un caillebotis usiné de diamètres 36,5 cm est inséré dans le tube PVC (Figure II-7A et 7B). Le tout est recouvert d’un géotextile pris en sandwich entre deux grilles de silicone de maille 1 mm (Figure II-7C). Ce dispositif permet à la fois de : (i) contenir le sol au-dessus d’une source de gaz, (ii) laisser le gaz injecté percoler dans la colonne de sol sur toute la surface du matériau poreux et (iii) laisser drainer l’eau de la colonne de sol dans l’unité d’injection.

Figure II-7 : Mise en place du support délimitant l’unité d’injection et le reste de la colonne. Sur la photo A se trouve le caillebotis sur un support PVC en place dans la colonne. Sur la photo B figure le caillebotis et le support PVC usiné pour permettre une homogénéisation du gaz dans le volume d’injection. Sur la photo C se trouve l’ensemble formé par le géotextile et les grilles en silicone une fois en place, garantissant la séparation entre unité d’injection et le sol venant peser au-dessus.

Il est possible d’imposer un gradient de pression entre l’unité d’injection et l’atmosphère avec différents niveaux de contrôle. Pour l’advection, nous avons à disposition deux types de contrôle : (i) débit d’injection constant ou (ii) gradient de pression constant.

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Dans le premier cas, un simple débitmètre régulateur suffit. Une fois le débit volumique de consigne imposé, le système va s’adapter pour délivrer de manière constante le bon débit. Pour cette méthode, j’ai utilisé les débitmètres massiques thermiques régulateurs BROOKS SLA5850. Selon la gamme que nous possédons, il est possible d’injecter de 3 mL à 50 L par minute. L’avantage de ce type de contrôle est qu’il ne nécessite qu’un seul instrument facile à se procurer et rapide à mettre en place. Cependant, la pression dans l’unité d’injection ne sera pas contrôlée, il faut donc à minima la mesurer. Parce que je travaillais à faible gradient de pression, la plus haute gamme de débit que j’ai utilisée était 1 litre par minute. La pression d’injection dans l’unité dédiée est dépendante à la fois de la perméabilité intrinsèque du milieu poreux si ce dernier est sec et de la pression d’entrée d’air associé à sa capacité à retenir l’eau par capillarité (cf. équation 1.7 du Chapitre 1). En effet, dans le cas d’un milieu poreux non saturé en eau, une frange capillaire va se développer au-dessus du volume d’injection, ce qui va ajouter une charge supplémentaire qu’il faudra prendre en compte. Pour que le gaz injecté puisse franchir cette frange capillaire, la pression dans le volume d’injection doit augmenter jusqu’à atteindre la pression d’entrée d’air. Ceci est à prendre en compte lorsque les conditions expérimentales modifient la hauteur de la frange capillaire (par apport ou perte d’eau dans le système).

C’est pour s’affranchir de ces variations intrinsèques au milieu poreux qu’il nous est paru préférable de pouvoir contrôler une injection à gradient de pression constant, à l’aide d’un système de régulation de pression en boucle fermée. Pour cela nous avons fait développer un boitier de régulation composé d’un débitmètre régulateur BROOK SLA5850 asservi par un capteur de pression KELLER à l’aide d’un régulateur PID (proportionnel, intégral, dérivé). Grâce à ce dispositif, il est possible d’imposer une pression de consigne qui sera maintenue constante au cours du temps. Pour ce faire, le PID va analyser les signaux envoyés par le capteur de pression afin d’envoyer un signal approprié au débitmètre régulateur pour qu’il ajuste son débit d’injection (Figure II-8). Plus simplement, si la pression dans le volume d’injection est supérieure à la pression de consigne alors le débitmètre va réduire/stopper son injection. Inversement si la pression dans le volume est plus faible que la pression de consigne alors le PID va augmenter l’ouverture du débitmètre régulateur afin d’apporter plus de gaz. Grâce à cette boucle, le gradient de pression entre la base de la colonne de sol et l’atmosphère sera constant au cours du temps.

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Figure II-8 : Explication de la boucle de régulation de la pression d’injection en fonction du débit grâce au dispositif PID. Cette régulation s’effectue en trois étapes.

Le maintien au cours du temps du gradient de pression entre la base de la colonne de sol et l’atmosphère est un aspect particulièrement intéressant si l’expérience est couplée à de la modélisation car cela permet d’avoir des conditions aux limites simples à implémenter dans le code. Cette régulation permet également de s’affranchir des variations de la pression barométrique et de ne pas avoir à contrôler cette pression dans la cellule climatique, dans le cas où l’on souhaite supprimer ces effets pour en mettre d’autres en évidence. Cependant, cette régulation a ses limites si les propriétés du sol étudié varient de manière trop brutale dans le temps (drainage, apport d’eau, modification des paramètres du milieu par tassement ou développement racinaire). En effet, pour permettre la régulation, il est impératif de régler au préalable les différents paramètres du PID. Cette configuration des paramètres se fait donc au cas par cas et s’avère difficile à ajuster si le système varie dans le temps au cours de l’expérience. Par exemple, si nous effectuons un réglage sur une colonne sèche, la régulation risque de ne plus être opérationnelle si dans la suite de l’expérience nous apportons une importante quantité d’eau. Cet apport d’eau générant une non-saturation de la colonne va modifier les paramètres intrinsèques du milieu. La percolation du gaz ne se fera plus dans les mêmes conditions de débit-pression que dans le cas sec. Les paramètres d’ajustements configurés en début d’expériences seront donc obsolètes car ils ne pourront plus garantir le bon temps de réponse associé au système. Je recommande d’utiliser ce système d’injection à gradient de pression constant uniquement sur des systèmes à l’équilibre durant toute l’expérience (colonne de sol sec, colonne de sol non-saturé à profil de saturation constant).

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Il est aussi possible de réaliser une expérience de percolation sous gradient de diffusion grâce au volume d’injection que nous avons développé. Le but est alors de maintenir une concentration en gaz traceur constante dans le volume d’injection, sans aucune surpression. Pour cela, il suffit d’ouvrir une vanne du volume dédié sur l’extérieur. Ainsi, nous pouvons alimenter l’unité d’injection en flux continu et constant au cours du temps pour maintenir la concentration en même temps que la diffusion se fait dans la colonne, le surplus de gaz étant évacué par le point de sortie. Je conseille d’équiper le point de sortie d’un tube suffisamment long afin d’évacuer le surplus vers l’extérieur et non pas dans la cellule climatique. Cette précaution permet d’éviter deux problèmes liés à cette option de percolation : (i) l’accumulation du traceur en excès dans l’atmosphère de la cellule, pouvant modifier les gradients de concentration par le haut, (ii) la dilution du traceur dans l’unité d’injection liée à un contre-flux d’air atmosphérique.

Au cours de nos expériences nous avons injecté, dans un premier temps, du SF6 à 2000 ou 10000 ppm dans de l’air zéro (N2 + O2) pour nos tests sous gradient de pression. Un test sous gradient de concentration (diffusion) avec du SF6 à 10,000ppm a été réalisé, mais aucun flux de gaz n’a pu être mesuré en surface. Ces résultats sont présentés dans le Chapitre 3. Par la suite afin de comparer le comportement du SF6 et du Xe nous avons injecté le mélange gazeux suivant : 2000 ppm de Xe, 2000 ppm de SF6, 400 ppm de CO2, 0.9 % d’Ar, 20,9 % d’O2 le reste en N2. Les résultats de cette dernière injection ne seront pas présentés par la suite pour cause de mauvaises calibrations sur l’analyseur de gaz.