De la dissymétrie des distributions locales des vitesses dans un gaz granulaires stationnaires excités par vibration, et de l'impossibilité de sa description à l'aide de l'hydrodynamique classique

par Yan Pei Chen

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Pierre Evesque.

Le président du jury était Benoît Goyeau.

Le jury était composé de Philippe Gondret, Kunquan Lu, Bernard Zappoli, Yves Garrabos, Damien Durville, Meiying Hou.

Les rapporteurs étaient Philippe Gondret, Kunquan Lu.


  • Résumé

    La présente thèse est consacrée à l'étude expérimentale et la simulation de la dynamique des gaz granulaires vibro-fluidisés. Les gaz granulaires sont caractérisés par une dissipation due aux collisions inélastiques. Pour maintenir cet état à l'équilibre mécanique (stationnarité), l'énergie est injectée en continu depuis les bords vibrant pour équilibrer la dissipation des vibrations. Ce système fournit une base d'étude de la physique des systèmes non-linéaires, hors équilibre thermodynamique et dissipatifs. Cette thèse insiste sur la nécessité d'intégrer, de comprendre et de rendre compte de la situation inhomogène de la distribution locale dans les gaz granulaires et permet la construction d'un nouveau modèle de gaz granulaires fluidisés par des vibrations. Cette approche inclut (i) des résultats expérimentaux 2d en micro-gravité dans l'Airbus A300 0-g de Novespace, des expériences 2d avec des cellules (et des vibrations) horizontales, des expériences 2d sur plan incliné (avec vibrations et cellules inclinées et avec une gravité effective variable), ainsi que des simulations de dynamique moléculaire par la méthode " event-driven" appliquée à chaque choc. Ces résultats confortent les simulations 3D de Liu et al. Les expériences en micro-gravité dans Airbus A380 (vol parabolique) permettent d'éviter les frottements avec les parois planes et éliminent l'effet de gravité. Les distributions locales de la vitesse dans la direction de vibrations sont asymétriques partout (à l'exception de la zone centrale de la cellule par raison de symétrie). L' équipartition de l'énergie n'est pas vérifiée dans la cellule, l'énergie est distribuée de manière inhomogène, anisotrope et directionnelle. La " température granulaire " n'est plus une mesure efficace pour décrire un tel système. On rend compte de ces résultats à l'aide d'une superposition de deux modèle gaussien pour décrire les profils locaux de vitesse asymétriques le long de la direction de vibration. Les résultats des simulations de dynamique moléculaire 2d en gravité nulle montrent les mêmes tendances et confortent les résultats l'expérimentaux (dissymétrie des distributions de vitesse locales). Cette dissymétrie est un effet à longue portée et est liée à la dissipation du système: Elle augmente si le coefficient de restitution billes-billes diminue ou lorsque le nombre de particules augmente. La dissymétrie disparaît lorsque les chocs billes-billes sont élastiques. Cet effet ne peut être ignoré et doit être traité comme la frontière d'une "nouvelle hydrodynamique". Dans les expériences de vibrations sur cellule 2D et plan inclinés parallèles aux vibrations, l'angle d'inclinaison a été modifié de façon systématique de l'horizontale à la verticale, pour simuler différentes gravités effectives. Les résultats confirment une dissymétrie locale des distributions de vitesse locales, à laquelle se rajoute une dissymétrie supplémentaire liée à la gravité, provoquant une densité différente en haut et en bas de la cellule. Ces études sont les prémices, nous le pensons, d’une nouvelle vision de la mécanique des gaz granulaires réels dissipatifs.

  • Titre traduit

    Asymmetric local velocity distribution in a vibro-uidized granular gas and its non-classical hydrodynamic description


  • Résumé

    The present thesis is dedicated to the experimental and simulation study of vibro-fluidized granular gases dynamics. Granular gases are characterized by dissipation due to inelastic collisions. To keep a steady state, continuous energy is injected to balance dissipation by vibration. This system provides a platform to study the physics of non-linear, non-equilibrium and dissipative systems. This dissertation insisted on the necessity of understanding the local state in the granular gases and building a new model for vibration-fluidized granular gases. Research approach included experiments in micro-gravity, event-driven molecular dynamic simulation and experiments in tilted plane with various gravity. Micro-gravity experiments were performed on Airbus A380 (Parabolic flight) to avoid friction with the bottom and gravity field. A long range boundary effect is found to exist in 2D vibration granular gases. Local distributions of the velocity component in the vibration direction are asymmetric in the whole cell except for the center bin. In the system, energy equi-partition breaks down. ``Granular temperature" is not efficient to describe such a system. We proposed a superposition of two Gaussian model to describe the local asymmetric velocity profiles along the vibration direction. We demonstrated the performance of this model by the Airbus experimental data and others’ simulation works. Event-driven molecular dynamics simulation was utilized. Results showed support for experiment results. Furthermore, we found this long range boundary effect is related to the system dissipation. This effect becomes pronounced if the coefficient of restitution (e<1) decreased or the number of particles increased. For the elastic situation, there is no such effect. This effect cannot be ignored and treated only as a local boundary effect as in hydrodynamics. We studied a 2D vibration fluidized granular system in a tilted plane systematically. The inclined angle is changed from horizontal to vertical, changing the "effective gravity". These results also showed asymmetric local velocity distributions. Other than the number density profiles deviate from an exponential form, the spatial profiles of the number density of particles moving up and down are not equal, and non symetric from cell center.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : CentraleSupélec. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.