Micro-continuum approaches are intermediate between a pure Navier-Stokes description of flow and transport and a continuum-scale model using Darcy’s law [1]. They use an unique formulation regardless the content of a grid cells, i.e. the same set of partial differential equations handles both pore-scale and Darcy-scale physics. Micro-continuum approaches are intrinsically two-scale allowing simulations with resolved and unresolved porosity in the same computational domain. For example, this hybrid-scale framework allows simulations in fractures (Stokes flow) surrounded by a porous matrix (Darcy’s law) [1]. It is therefore well-suited to simulate flow and transport in microtomography images that contain sub-voxel porosity [2]. The technique is also powerful to move fluid / solid boundaries in presence of geochemical processes such as dissolution or precipitation [3, 4, 5]. Recently, solid mechanics have been introduced into the framework to model the hydrology of soft porous media such as clays and elastic membranes [6]. Our most recent work extend the micro-continuum approach to multi-phase flow [7, 8].

Les approches micro-continuum sont intermédiaires entre une description Navier-Stokes pure de l'écoulement et du transport et un modèle à l'échelle du continuum utilisant la loi de Darcy [1]. Elles utilisent une formulation unique quel que soit le contenu des cellules d'une grille, c'est-à-dire que le même ensemble d'équations aux dérivées partielles traite à la fois la physique à l'échelle du pore et à l'échelle de Darcy. Les approches micro-continuum sont intrinsèquement à deux échelles, permettant des simulations avec une porosité résolue et non résolue dans le même domaine de calcul. Par exemple, ce cadre à échelle hybride permet des simulations dans des fractures (écoulement de Stokes) entourées d'une matrice poreuse (loi de Darcy) [1]. Il est donc bien adapté pour simuler l'écoulement et le transport sur des images de microtomographie qui contiennent une porosité sub-voxel [2]. La technique est également bien adaptée pour déplacer les frontières fluide/solide en présence de processus géochimiques tels que la dissolution ou la précipitation [3, 4, 5]. Récemment, la mécanique des solides a été introduite dans ce cadre pour modéliser l'hydrologie des milieux poreux mous tels que les argiles et les membranes élastiques [6]. Nos travaux les plus récents étendent l'approche du micro-continuum à l'écoulement multiphasique [7, 8].

[1] Soulaine and Tchelepi, Micro-continuum approach for pore-scale simulation of subsurface processes, Transport In Porous Media, 2016, 113, 431-456

[2] Soulaine, Gjetvaj, Garing, Roman, Russian, Gouze, Tchelepi, The impact of sub-resolution porosity of X-ray microtomography images on the permeability, Transport in Porous Media, 2016, 113(1), 227-243

[3] Soulaine, Roman, Kovscek, Hamdi, Mineral dissolution and wormholing from a pore-scale perspective, Journal of Fluid Mechanics, 2017, 827, 457--483

[4] Molins, Soulaine, Prasianakis, Abbasi, Poncet, Ladd, Starchenko, Roman, Trebotich, Tchelepi, Steefel, Simulation of mineral dissolution at the pore scale with evolving fluid-solid interfaces: Review of approaches and benchmark problem set, Computational Geosciences, 2019

[5] Soulaine, Pavuluri, Claret, Tournassat "porousMedia4Foam: Multi-scale open-source platform for hydro-geochemical simulations with OpenFOAM®" Environmental Modelling and Software 145, 105199 (2021)

[6] Carrillo and Bourg, A Darcy-Brinkman-Biot Approach to Modeling the Hydrology and Mechanics of Porous Media Containing Macropores and Deformable Microporous Regions, Water Resources Research, 2019

[7] Soulaine, Creux, Tchelepi, Micro-Continuum Framework for Pore-Scale Multiphase Fluid Transport in Shale Formations, Transport in Porous Media, 2019

[8] Carrillo, I. C. Bourg, C. Soulaine "Multiphase Flow Modeling in Multiscale Porous Media: An Open-Source Micro-Continuum Approach" Journal of Computational Physics (2020), 8, 100073

Cyprien Soulaine is an Associate Scientist at CNRS, the French National Centre for Scientific Research, working at the Institute of Earth Sciences of Orléans, France. He develop hybrid-scale models for coupled processes in porous and fractured media. He considers a wide variety of scales ranging from nanometers to kilometers. Cyprien’s interest in pore-scale physics led to the development of computational microfluidics. His research is very broad and applications include carbon dioxide storage in the subsurface, hydrogen production, water resources management, and superfluid quantum turbulence in porous media. Before, joining CNRS, Cyprien spent 5 years at Stanford University in the Department of Energy Resources Engineering as a Research Associate. He has a PhD in Fluid Dynamics from Institut Polytechnique de Toulouse. (more on www.cypriensoulaine.com)

Cyprien Soulaine est chercheur associé au CNRS, le Centre national de la recherche scientifique, et travaille à l'Institut des sciences de la Terre d'Orléans, en France. Il développe des modèles à échelle hybride pour les processus couplés dans les milieux poreux et fracturés. Il considère une grande variété d'échelles allant du nanomètre au kilomètre. L'intérêt de Cyprien pour la physique à l'échelle des pores a conduit au développement de la microfluidique computationnelle. Ses recherches sont très larges et les applications comprennent le stockage du dioxyde de carbone dans le sous-sol, la production d'hydrogène, la gestion des ressources en eau et la turbulence quantique superfluide dans les milieux poreux. Avant de rejoindre le CNRS, Cyprien a passé 5 ans à l'Université de Stanford dans le département d'ingénierie des ressources énergétiques en tant que chercheur associé. Il est titulaire d'un doctorat en dynamique des fluides de l'Institut Polytechnique de Toulouse. (plus d'informations sur www.cypriensoulaine.com)

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