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Modeling macroscopic unsteady inertial flow in porous media should take into account the process history

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Academic year: 2021

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Texte intégral

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Francisco J. Valdés-Parada

UAM-Iztapalapa, Mexico.

email: iqfv@xanum.uam.mx

Didier Lasseux

CNRS, Université de Bordeaux, France email: didier.lasseux@u-bordeaux.fr

Fabien Bellet

CNRS, Univ. Paris-Saclay, France

email: fabien.bellet@centralesupelec.fr

Introduction

• Unsteady flow in porous media is relevant in applications ranging from seismic waves to super fluid flow.

• This process is usually modeled using the heuristic momentum equation inferred from Darcy’s law:

ρ ∂ hvi

β

∂t = −∇h p i

β

− µεH

−1

· hvi

β

• Many analyses have been performed in the frequency but not in the time domain.

Pore-scale equations

∇ · v = 0 ρ Dv

Dt = − ∇ p ˜ + µ∇

2

v − ∇hpi

β

| {z }

sour c e

v = 0, at the solid-fluid interface v = v

0

sour c e

|{z}

, when t = 0

ψ(r + l

i

) = ψ(r), ψ = v, p, i ˜ = 1, 2, 3 h p ˜ i

β

= 0

Formal solution

v = 1 µ

 −

t0=t

Z

t0=0

∂ D

∂t

t−t0

· ∇h p i

β

t0

d t

0

+ m

0

˜

p = −

t0=t

Z

t0=0

d

∂t

t−t0

· ∇h p i

β

t0

d t

0

+ n

0

Upscaled model

∇ · hvi = 0

hvi = − 1 µ

t0=t

Z

t0=0

∂ H

t

∂t · ∇hpi

β

d t

0

+ α where H

t

= hDi and α = hm

0

i/µ.

H21L-1923: Upscaling unsteady inertial flow in homogeneous porous media

Modeling macroscopic

unsteady interial flow in

porous media should take

into account the process history.

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Closure problems

Problem I

∇ · D = 0 ρ

µ

DD

Dt = −∇d + ∇

2

D + I

D = 0, at the solid-fluid interface D = 0, t = 0

hdi

β

= 0

ψ(r + l

i

) = ψ(r), ψ = D, d, i = 1, 2, 3 Problem II

∇ · m

0

= 0 ρ

µ

Dm

0

Dt = −∇n

0

+ ∇

2

m

0

m

0

= 0, at the solid-fluid interface m

0

= µv

0

, t = 0

hn

0

i

β

= 0

ψ(r + l

i

) = ψ(r), ψ = m

0

, n

0

, i = 1, 2, 3

Comparison with DNS

0 1 2 3 4 5

·102 0

0.5 1 1.5

2 ·103

t

h v

x

i

β

DNS VAM

Heuristic

Dynamics of the average velocity for an oscilla- tory macroscopic pressure gradient for a porosity of 0.4 and Re = 10

6

.

Conclusions

• Unsteady flow is described by a macroscopic model that is non-local in time and that con- siders the influence of the initial condition.

• The performance and accuracy of the model is validated with DNS.

• The heuristic model is inappropriate in the

general case.

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