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4.4 Inclusions bidimensionnelles partiellement saturées - Mise en évidence du

4.4.3 Résolution numérique dans la région super-hygroscopique

Intéressons nous maintenant à la résolution numérique du problème (4.3) dans la région

super-hygroscopique. Pour cela, nous avons utilisé le logiciel COMSOL Multiphysics. La

résolution numérique des équations aux dérivées partielles (4.3) a été effectuée par la méthode

des éléments finis.

Dans l’exemple considéré, seule la composante χ

1

est intéressante à simuler, la solution

pour χ2 etχ3 étant triviale (voir (4.49) et (4.50)). Considérons comme cellule élementaire

une inclusion rectangulaire tel quea=5 etb=1 (Fig.4.8).

F

IGURE

4.8 – Inclusion rectangulaire considérée

La résolution numérique du problème suivant dontχ

1

est solution :

2

χ

1

∂y

21

+

2

χ

1

∂y

22

= 0 dans Ω

g

(4.55)

∂ χ

1

∂y1.n1+∂ χ

1

∂y2.n2 = −n1 sur Γ

gs

(4.56)

χ

1

= 0 sur Γ

gl

(4.57)

est effectuée avec Comsol Multiphysics.

Comparaison entre les solutions analytique et numérique pour la composanteχ

1

La solution analytique que nous avons obtenue pour χ

1

en (4.48) est représentée sur la

Fig.4.9tronquée au douzième termes, i.e :

χ1(y1,y2) =

n=12

n=0

2

b p

2n

sinh(p

n

a) sin(p

n

y2))(cosh(p

n

(a y1))cosh(p

n

y1))

avec p

n

=

(2n2+b1)π

.

F

IGURE

4.9 – Composanteχ

1

tronquée au douzième terme

La solution numérique de problème (4.55)-(4.57), effectuée avec Comsol Multiphysics,

est représentée à la Fig.4.10.

F

IGURE

4.10 – Composanteχ1obtenue par résolution numérique avec Comsol Multiphysics

La comparaison entre la solution numérique et la solution analytique pour la composante

χ1 montre un très bon accord (Figs 4.9 et 4.10). Maintenant que la résolution numérique

avec Comsol Multiphysics a été validée, nous proposons de calculer le tenseur de tortuosité

localφ afin d’essayer d’expliquer et d’interpréter le processus de diffusion de vapeur d’eau à

l’échelle macroscopique (composanteD

hom11

donnée par (4.54)).

Tenseur de tortuosité local

Représentons maintenant le tenseur de tortuosité localφ = (I+

∂ χ∂y

)qui a comme

expres-sion analytique (4.51)-(4.53). Toutes les composantes deΦsont nulles saufΦ

11

21

etΦ

33

(qui est trivialement égale à 1).

Une fois que χ1 a été calculé numériquement, la composanteΦ

11

=1+

∂ χ1

∂y1

est représentée

sur la Fig.4.11.

F

IGURE

4.11 – Représentation de la composanteΦ

11

Nous observons que dans la directiony

1

, près du domaine solide (aux alentours des

fron-tièresΓ

1

etΓ

3

représentées plus explicitement sur la Fig.4.7),Φ

11

s’annule, ce qui correspond

à une diffusion de vapeur d’eau nulle près de l’interface gaz-solideΓ

gs

. Par contre, plus on

se rapproche du centre du domaine liquide, plus la composanteΦ

11

croit et s’approche de sa

valeur maximale. Ainsi, les variations deΦ

11

peuvent être interprétées comme un phénomène

de condensation capillaire qui apparait dans la région super hygroscopique.

Les variations deΦ

11

traduisent l’agitation de la vapeur d’eau quand l’eau liquide remplit

l’espace poral. On arrive même à distinguer des "ponts capillaires" qui se créent en faisant

varier la position du front capillaire (Fig.4.11). De plus, nous remarquons l’existence d’un

nouveau terme de couplageΦ

21

dont les variations sont représentées sur la Fig.4.12.

F

IGURE

4.12 – Représentation de la composanteΦ

21

L’interprétation physique de ce terme de couplage n’est pas évidente. Il semble lié à la

rotation des directions principales du tenseur de tortuosité local de la vapeur d’eau. Notons

que ce terme s’annule une fois que nous moyennonsΦsur le domaine gazeuxΩ

g

pour obtenir

le tenseur de difussion de vapeur d’eau homogénéisé (voir (4.54)).

Etude paramétrique du tenseur de diffusion de vapeur d’eau homogénéisé

Nous proposons pour finir de comparer les résultats obtenus dans le cas d’une inclusion

rectangulaire, pour la diffusivité dans la directiony3(diffusion classique sans effet de

tortuo-sité) et dans la directiony1(diffusion avec condensation capillaire). Pour cela, nous calculons

numériquement les coefficients de diffusion de vapeur d’eau homogénéisés relatifs

1

D

hom11

/D

r v

etD

hom33

/D

r

v

en fonction de la teneur en gazθ

g

que l’on fait varier dans l’intervale[0%,20%].

Les résultats obtenus sont représentés sur la figure4.13.

1. Il suffit d’intégrer le tenseur de tortuosité local sur le domaine gazeuxΩget de diviser par le volume total |Ω|pour obtenirDhom11 etDhom33 .

F

IGURE

4.13 – Variation des coefficients de diffusion de vapeur d’eau homogénéisés relatifs

D

hom11

/D

r

v

etD

hom33

/D

r

v

en fonction de la teneur en gaz pour une inclusion rectangulaire.

Nous observons que les coefficients de diffusion homogénéisés relatifsD

hom11

/D

r

v

etD

hom33

/D

r v

augmentent lorsque la teneur en gazθ

g

augmente. En effet, lorsque la teneur en gazθ

g

aug-mente, le volume du domaine gazeux augmente aussi, ouvrant un espace plus grand à la

diffusion de vapeur d’eau qui devient plus importante. Si nous comparons les deux

coeffi-cients de diffusion homogénéisés calculés dans les directionsy1ety3, nous remarquons que

pourθ

g

<8%, il n’y a quasiment pas de différence entre les deux courbes. Ceci s’explique

par le fait que la condensation capillaire pour des teneurs en gaz faibles (et donc des teneurs

en eau élevées) est assez forte. Par contre, pour une teneur en gazθ

g

>8%, on remarque une

différence notable entre les deux courbes. On obtient des valeurs plus faibles deD

hom11

/D

rv

.

En effet, plus la teneur en gaz est grande, moins la condensation capillaire (liée àD

hom11

) est

importante. Ainsi, les valeurs de la teneur en gaz ont une influence importante sur le type de

diffusivité de la vapeur d’eau (diffusion classique dans la directiony3 ou diffusion liée à la

condensation capillaire dans la directiony1).

D’une manière équivalente, en fixant la porosité du matériau ε

p

=15%, et en faisant

varier la teneur en eau liquide θ

l

dans l’intervalle [0%,15%], nous obtenons les variations

des coefficients de diffusion de vapeur d’eau homogénéisés relatifsD

hom11

/D

r

v

etD

hom33

/D

r v

en

fonction deθ

l

représentées sur la figure4.14.

F

IGURE

4.14 – Variation des coefficients de diffusion de vapeur d’eau homogénéisés relatifs

D

hom11

/D

r

v

etD

hom33

/D

r

v

en fonction de la teneur volumique en eau θ

l

pour une porosité ε

p

=

15%.

Nous remarquons que les coefficients de diffusion de vapeur d’eau homogénéisésD

hom11

/D

r v

etD

hom33

/D

r

v

diminuent quand la teneur volumique en eau liquide θ

l

augmente. Pour des

te-neurs volumique en eau liquide faibles, la diffusion classique dans le sensy3est plus

impor-tante que la diffusion liée à la condensation capillaire dans la directiony1. Cependant, quand

la majorité de l’espace poral se remplit d’eau, pour des teneurs volumiques en eau liquide

importantes, les deux courbes coicident presque, traduisant une forte condensation capillaire

dans cette région.

4.5 Mise en évidence de la condensation capillaire pour d’autres