Etude de la naissance, de la croissance et de la vie d’un cluster dynamique en micro-gravité

Granular materials can produce spectacular phenomena due to the dissipation that occurs when the grains collide. In microgravity environments, a granular material can adopt different behaviors, mainly depending on the packing fraction of the system and the intensity of the energy that is injected into the system. By regulating the packing fraction, a granular gas or a dense and slow aggregate can be observed. These aggregates are called "clusters" and their emergence has been studied both theoretically and numerically in the last decades. In addition, the parameters triggering the gas-cluster transition were highlighted during these studies. Nevertheless, these theoretical and numerical considerations have never been verified experimentally and the cluster, which always coexist with granular gases in the case of excited systems, requires still a lot of attention. That's why the SpaceGrains project has been launched by the European Space Agency (ESA). This project contributes to the study of granular phenomena in microgravity thanks to the development of the VIP-Gran-PF instrument, containing of a cell in which bronze beads can be excited by two oscillating pistons. The cell can be quasi-two or three dimensional. The instrument was developed for parabolic flights and the first part of this work has consisted in verifying experimentally the gas-cluster transition and to observe some dynamics which have been predicted by numerical simulations. These simulations constitute the second part of our work. Perfect knowledge of the capabilities and performance of the VIP-Gran-PF instrument as well as advanced training were required before starting to use it in parabolic flights. Our experimental work began with the study of the instrument itself. Once the handling of the VIP-Gran-PF device acquired, we focused on several topics. The first concerned the experimental verification of the gas-cluster transition. This study required a large number of parabolic flight campaigns (5 to be exact) since it was necessary to explore an entire phase diagram, that was derived from numerical simulations. Granular gases and clusters, as well as an unexpected "bouncing aggregate" regime, have been observed during these campaigns. By developing an original image processing, we have been able to reconstruct the distributions of the three dimensional positions of the particles in the VIP-Gran cell on the basis of two dimensional pictures. Adapting an existing model, we also predicted the possibility of emergence of the "bouncing aggregate" regime. In parallel with this study, we performed numerical simulations in order to determine the mechanism of birth and growth of clusters within the instrument. By sorting the grains as gaseous or clustered with a local criterion, we have discovered that the cluster was born in the corners near the lateral walls of the cell, as far as possible from the oscillating pistons. We also show that the cluster grows because the gas has to keep a critical packing fraction. Other numerical simulations allowed us to identify a specific dynamic of the cluster. By asymmetrically exciting the particles, it is possible to displace the position of the center of mass of the system. Moreover, a natural oscillation of the cluster, linked to its size, the asymmetry and the driving frequency, has been highlighted. Finally, we were interested in the structure of clusters in the case of a mixture of two different types of particles. As a function of their difference in mass and/or in volume, we showed that different structures are observed and that a phase segregation could take place in the system. Finally, we realized experiments in order to validate all of our numerical simulations, except for the growth of the clusters, which is impossible to observe in the current configuration of the VIP-Gran-PF instrument. We also investigated the clustering of elongated particles, the behavior of intruders in a granular gas, such granular osmosis by using a semi permeable wall and the behavior of a mobile wall placed in between both pistons. At this point, the data of these studies still has to be analyzed.Les matériaux granulaires peuvent produire des phénomènes spectaculaires en raison de la dissipation d’énergie qui a lieu lorsque des grains entrent en collision. Sous microgravité, un matériau granulaire peut adopter différents comportements dynamiques, principalement en fonction du remplissage du système et de l’intensité et de la manière avec laquelle l’énergie est injectée dans le système. En jouant sur ce remplissage, un gaz granulaire ou la formation d’agrégats denses et lents peuvent être observés. Ces agrégats sont appelés "clusters" et leur émergence a été étudiée aussi bien théoriquement que numériquement au cours des dernières décennies. De plus, les paramètres à faire varier pour déclencher la transition gaz-cluster ont été mis en évidence lors de ces études. Néanmoins, ces considérations théoriques et numériques n’ont jamais été vérifiées expérimentalement et la dynamique des clusters, qui co-existent toujours avec un gaz granulaire dans le cas de systèmes excités, nécessite encore beaucoup d’attention. C’est pourquoi le projet SpaceGrains a été lancé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA). Ce projet contribue à l’étude des phénomènes granulaires en microgravité grâce au développement, pour les vols paraboliques, de l’instrument VIP-Gran-PF. Cet instrument est principalement composé d’une cellule, quasi-bidimensionnelle ou tridimensionnelle, dans laquelle des billes de bronze peuvent être excitées à l’aide de deux pistons oscillants. La première partie de ce travail a consisté à vérifier expérimentalement la transition gaz-cluster lors de campagnes de vols paraboliques et à observer certaines dynamiques prédites par des simulations numériques. Ces simulations numériques constituent la deuxième partie du présent travail. Une connaissance parfaite des capacités et des performances de l’instrument VIP-Gran-PF ainsi qu’un entraînement poussé étaient nécessaires avant de commencer à utiliser l’instrument en vols paraboliques. Notre travail expérimental a donc commencé avec l’étude de l’instrument en lui-même. Une fois la manipulation de l’outil acquise, nous nous sommes concentrés sur plusieurs sujets. Le premier concernait la vérification expérimentale de la transition gaz-cluster. Cette étude nécessitait un grand nombre de vols paraboliques (114 pour être exact) car il était nécessaire de couvrir tout un diagramme de phase établi au préalable sur base de simulations numériques. Des gaz granulaires et des clusters, ainsi qu’un mode de "bouncing aggregate" inattendu, ont été observés au cours de ces vols. En développant un traitement d’image original, nous avons pu reconstruire les distributions tridimensionnelles des positions des particules dans la cellule VIP-Gran à partir d’images à deux dimensions. En adaptant un modèle pré-existant, nous avons également pu prédire la possibilité d’une éventuelle émergence de l’état de "bouncing aggregate". Parallèlement à cette étude, nous avons effectué des simulations numériques afin de déterminer le mécanisme de naissance et de croissance des clusters. En triant les grains, appartenant au gaz ou au cluster, à l’aide d’un critère de compacité local, nous avons découvert que le cluster naissait systématiquement dans les coins et sur les parois latérales de la cellule, au plus loin des pistons oscillants. Nous avons également montré que le cluster grandissait de manière à ce que le gaz conserve sa densité critique. Ce comportement rappelle la condensation d’une phase gazeuse classique une fois que la pression dépasse la pression de vapeur saturante dudit gaz. Une autre campagne de simulations numériques nous a permis d’identifier une dynamique spécifique du cluster. En excitant les particules de manière asymétrique, il a été possible de déplacer la position moyenne du centre de masse du système, que nous avons définie comme la position d’équilibre du cluster. De plus, une oscillation naturelle du cluster, liée à sa taille, à l’asymétrie et à la fréquence de l’excitation, a été mise en évidence. Enfin, nous nous sommes intéressés (encore une fois numériquement) à la structure des clusters dans le cas d’un mélange de deux types de particules différentes. En fonction de leur différence de masse et/ou de volume, nous avons montré que différentes structures étaient observées et qu’un phénomène de ségrégation de phase pouvait avoir lieu.Enfin, nous avons réalisé des expériences afin de valider toutes nos simulations numériques, à l’exception de celles concernant la croissance des clusters. Pour cette étude, il est en effet impossible d’observer la structure d’un cluster tridimensionnel ou de prendre les mesures adéquates dans la configuration actuelle de l’instrument VIP-Gran-PF. Nous avons également étudié le clustering de particules allongées, le comportement d’intrus dans un gaz granulaire, l’osmose granulaire en utilisant un mur semi-perméable ainsi que le comportement d’une paroi mobile placée entre les deux pistons, qui est excité sur ses deux faces par deux gaz de différentes densités. À ce jour, toutes les données de ces études doivent encore être analysées.SpaceGrain