Transitions de phase dans les milieux granulaires vibrés
Institution:
CY Cergy Paris UniversitéDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Granular materials are collections of macroscopic particles interacting through their contacts. One finds them in various forms in nature, and for example, one of them, the sand, is the essential ingredient of modern constructions. It is estimated that granular matter is the most used material in the industry after air and water. A single particle is easy to describe; however, a set of particles has a complex collective behavior. For example, a collection of grains can withstand stress on it, but by delivering some energy to the system, the same set can flow like a liquid. This property, similar to that of molecular fluids, is the main object of study in this thesis. Thermodynamically, the phase transitions are controlled through the temperature of the system. Similarly, in vibrated granular media, there is a temperature analog, which quantifies the fluctuations of the particles and that is proportional to the vibrational energy injected in the system. It is thus possible to move from a solid-granular phase to a liquid-granular one, just by increasing the amplitude of the motion imposed to a container filled with particles. In contrast, in this thesis, we aim at studying the phase transition of a vertically vibrated granular medium, maintaining the acceleration (energy) constant but modifying the geometry of the container. The geometry is modified by including a V-shaped template at the bottom of the cell. In this way, one can induce more significant disorder by breaking the spontaneous symmetry generated by the mono-disperse spheres. A fast camera records the movement of the particles, and through image analysis, one can detect each of the particles over time. From the positions and the trajectories, it is possible to measure the velocity field, the number of near neighbors of each particle, the local compaction, and a local order parameter. All these parameters provide information on the existence of a phase transition between solid-like and fluid-like states. Practically, this allows one to study and link the dissipative aspects of the vibrated granular media, the statistics of the particles’ motions and the topology of the lattice. Additionally, we perform simulations using the Discrete Element Method (DEM) to calculate the energy loss factor from collisions between particles and the container, and corroborate our experimental observations.
Abstract FR:
Les matériaux granulaires sont des collections de particules macroscopiques qui interagissent par contact. On les trouve sous différentes formes dans la nature, et par exemple, l'une d'entre elles, le sable, est l'ingrédient essentiel des constructions modernes. On estime que la matière granulaire est le matériau le plus utilisé dans l'industrie après l'air et l'eau. Une seule particule est facile à décrire ; cependant, un ensemble de particules a un comportement collectif complexe. Par exemple, un ensemble de grains peut résister à une contrainte, mais en fournissant un peu d'énergie au système, le même ensemble peut s'écouler comme un liquide. Cette propriété, similaire à celle des fluides moléculaires, est le principal objet d'étude de cette thèse. Du point de vue thermodynamique, les transitions de phase sont contrôlées par la température du système. De même, dans les milieux granulaires vibrés, il existe un analogue de la température, qui quantifie les fluctuations des particules et qui est proportionnel à l’énergie vibratoire injectée dans le système. Ainsi, il est possible de passer d'une phase granulaire de type solide à une phase granulaire de type liquide, en augmentant simplement l’amplitude du mouvement imposé à un récipient rempli de grains. A l’inverse, dans cette thèse, nous cherchons à étudier la transition de phase d'un milieu granulaire vibré verticalement, en maintenant l'accélération (l'énergie) constante mais en modifiant la géométrie du récipient. La géométrie est modifiée par l'inclusion d'un gabarit en forme de V au fond de la cellule. De cette façon, il est possible d’induire un désordre plus important en brisant la symétrie spontanément générée par des sphères mono-disperses. Une caméra rapide enregistre le mouvement des particules, et grâce à l'analyse des images, on peut détecter chacune des particules au cours du temps. À partir des positions et des trajectoires, il est possible de mesurer le champ de vitesse, le nombre de proche voisins proches de chaque particule, la compacité locale et un paramètre d'ordre local. L’ensemble de ces paramètres renseigne sur l’existence d’une transition de phase entre des états apparentés à un solide et à un liquide. En pratique, cela permet d'étudier et relier les aspects dissipatifs des milieux granulaires vibrés, la statistique du mouvement des particules et la topologie du réseau. De plus, nous effectuons des simulations en utilisant la méthode des éléments discrets (DEM) pour calculer le facteur de perte d'énergie lors des collisions entre les particules et le conteneur, et de corrobore nos observations expérimentales.