Pore-Scale Flow Simulations: Model Predictions Compared with Experiments on Bi-Dispersed Granular Assemblies

A method is presented for the simulation of pore flow in granular materials. The numerical model uses a combination of the discrete element method for the solid phase and a novel finite volume formulation for the fluid phase. The solid is modeled as an assembly of spherical particles, where contact interactions are governed by elasto-plastic relations. Incompressible Stokes flow is considered, assuming that inertial forces are small in comparison with viscous forces. Pore geometry and pore connections are defined locally through regular triangulation of spheres, from which a tetrahedral mesh arises. The definition of pore-scale hydraulic conductivities is a key aspect of this model. In this sense, the model is similar to a pore-network model. Permeability measurements on bi-dispersed glass beads are reported and compared with model predictions, validating the definition of local conductivities. Une méthode est présentée pour la simulation de l’écoulement porale dans les matériaux granulaires. Le modèle numérique est basé sur la méthode des éléments discrets pour la phase solide et sur une nouvelle méthode de type volumes finis pour la phase fluide. Le solide est modélisé comme un arrangement de particules sphériques avec des interactions de type élasto-plastique aux contacts. On considère un écoulement de Stokes incompressible en supposant que les forces inertielles sont négligeables par rapport aux forces visqueuses. La géométrie des pores et leur connectivité sont définies sur la base d’une triangulation régulière des sphères qui aboutit à un maillage tétraédrique. La définition des conductivités hydrauliques à l’échelle des pores est un point clef du modèle qui se rapproche sur ce point à des modèles de type pore-network. Des mesures de perméabilités sur des assemblages bi-disperses de billes de verre sont présentées et comparées aux prédictions du modèle ce qui valide la définition des conductivités locales.