Article Dans Une Revue Granular Matter Année : 2019

Modes of wall induced granular crystallisation in vibrational packing

Modes de cristallisation granulaire induite par la paroi dans un compactage vibratoire

Résumé

Granular crystallisation is an important phenomenon whereby ordered packing structures form in granular matter under vibration. However, compared with the well-developed principles of crystallisation at the atomic scale, crystallisation in granular matter remains relatively poorly understood. To investigate this behaviour further and bridge the fields of granular matter and materials science, we simulated mono-disperse spheres confined in cylindrical containers to study their structural dynamics during vibration. By applying adequate vibration, disorder-to-order transitions were induced. Such transitions were characterised at the particle scale through bond orientation order parameters. As a result, emergent crystallisation was indicated by the enhancement of the local order of individual particles and the number of ordered particles. The observed heterogeneous crystallisation was characterised by the evolution of the spatial distributions via coarse-graining the order index. Crystalline regimes epitaxially grew from templates formed near the container walls during vibration, here termed the wall effect. By varying the geometrical dimensions of cylindrical containers, the obtained crystallised structures were found to differ at the cylindrical wall zone and the planar bottom wall zone. The formed packing structures were quantitatively compared to X-ray tomography results using again these order parameters. The findings here provide a microscopic perspective for developing laws governing structural dynamics in granular matter. https://doi.org/10.1007/s10035-019-0876-8

La cristallisation granulaire est un phénomène important dans lequel des structures de garnissage ordonnées se forment dans une matière granulaire sous vibration. Cependant, comparée aux principes bien développés de la cristallisation à l'échelle atomique, la cristallisation dans la matière granulaire reste relativement mal comprise. Pour étudier plus avant ce comportement et relier les domaines de la matière granulaire et de la science des matériaux, nous avons simulé des sphères mono-dispersées confinées dans des conteneurs cylindriques afin d'étudier leur dynamique structurelle lors de la vibration. En appliquant une vibration adéquate, des transitions désordre à ordre ont été induites. Ces transitions ont été caractérisées à l'échelle des particules par le biais de paramètres d'ordre d'orientation de liaison. En conséquence, la cristallisation émergente était indiquée par l'amélioration de l'ordre local des particules individuelles et du nombre de particules ordonnées. La cristallisation hétérogène observée a été caractérisée par l'évolution des distributions spatiales via la granulation grossière de l'indice d'ordre. Les régimes cristallins se développaient par épitaxie à partir de gabarits formés près des parois du conteneur lors de vibrations, appelé ici effet de paroi. En faisant varier les dimensions géométriques des récipients cylindriques, il s'est avéré que les structures cristallisées obtenues différaient au niveau de la zone de paroi cylindrique et de la zone de paroi de fond plane. Les structures de garnissage formées ont été comparées quantitativement aux résultats de tomographie à rayons X en utilisant à nouveau ces paramètres d'ordre. Les résultats présentés ici fournissent une perspective microscopique pour l'élaboration de lois régissant la dynamique structurelle dans la matière granulaire. https://doi.org/10.1007/s10035-019-0876-8

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hal-02355176 , version 1 (08-11-2019)

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Weijing Dai, Joerg Reimann, Dorian Hanaor, Claudio Ferrero, Yixiang Gan. Modes of wall induced granular crystallisation in vibrational packing. Granular Matter, 2019, 21 (2), ⟨10.1007/s10035-019-0876-8⟩. ⟨hal-02355176⟩

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