Étude expérimentale de l’impact de particules submillimétriques sur des milieux granulaires cohésifs (neige, sable)

La saltation désigne un mode de transport éolien où les particules au sol sont éjectées du lit soit par entraînement aérodynamique (c’est-à-dire sous l’effet du vent), soit par impact (c’est-à-dire sous l’effet de l’impact d’une autre particule) pour retomber sur la surface sous l’effet de la gravité. Dans le cadre de ce stage, on s’intéresse à l’entraînement par impact en cherchant à déterminer la relation entre caractéristiques de l’impact (vitesse, angle) d’une ou plusieur particules et entre le nombre et la vitesse de particules éjectées d’un lit constitué du même type de particules dont on pourra faire varier la cohésion. L’approche est expérimentale et s’appuie sur un dispositif conçu dans le cadre du projet ANR.
Le dispositif (Fig. 1) permet de lancer une bille dans une direction et à une vitesse contrôlées, entre 2,5 et 25 m·s⁻¹ et entre 8 et 80°. Le lanceur projette les billes par mise en rotation d’un tube dans lequel une bille est introduite et retenue par un clapet ; ce clapet est ensuite arrêté mécaniquement par un déclencheur, libérant la bille dans la direction souhaitée. L’ensemble est piloté par une carte Raspberry Pi (GPIO) et filmé par caméra ultra rapide à 7500 fps.

Les missions confiées à l’étudiant(e) dans le cadre de ce stage seront les suivantes :
1. Prise en main et amélioration du dispositif
–  Bibliographie sur le sujet et les problématiques
–  Réflexion sur la mécanique, l’électronique et la chaîne de mesure du dispositif actuel
–  Mise en place d’une seconde caméra ultra-rapide
2. Développement algorithmique de traitement 2D/3D
–  Prise en main du script Python existant de tracking multi-billes
–  Développement d’un script d’analyse 3D du phénomène (incluant non seulement le nombre d’éjecta mais également la vitesse et l’angle d’éjection)
3. Réalisation d’expérimentations avec une cohésion liquide
– Reproduction en 3D d’expérimentations 2D réalisées dans le cadre de l’ANR EOLE (le protocole de création de la cohésion liquide avec de l’huile de silicone est déjà au point et validé).
–  Mise au point d’un protocole (lancés successifs rapides sur une même zone de lit) et réalisation d’une série d’expériences pour tester l’influence de la modification de la matrice par potentielle fluidisation du lit sur les résultats précédemment obtenus.
–  Mise en perspective des résultats par rapport à la bibliographie existante et des expérimentations déjà réalisées (approches expérimentales et numériques).
4. Réalisation d’expérimentations avec une cohésion solide
–  Mise au point d’un protocole de création d’une cohésion solide (la création d’une cohésion solide par évaporation d’eau salée a été testée avec succès dans le cadre de l’ANR et il s’agira ici de la comparer avec la création d’une cohésion solide par utilisation de paraffine).
–  Réalisation d’expérimentations avec cohésion solide pour le protocole le plus adapté (sel ou paraffine). Les expérimentations seront similaires avec celles réalisées avec la cohésion liquide.
–  Mise en perspective des résultats par rapport à la bibliographie existante (approches expérimentales et numériques).
5. Tests sur neige en chambre froide
Cette dernière partie est prospective et dépendra de l’avancée des points précédents
–  Étude de faisabilité
–  Détermination des objectifs expérimentaux
–  Mise en place du dispositif en chambre froide

Profil recherché
–  Étudiant(e) en M2 (physique, mécanique, sciences de l’environnement ou équivalent)
–  Bonnes bases en Python (traitement de données et d’image, OpenCV, Pandas…)
–  Intérêt pour l’expérimentation, la mécanique des milieux granulaires et/ou la physique de la neige et la recherche scientifique.
–  Autonomie, rigueur expérimentale, prise de décision, écriture scientifique, curiosité, goût pour le travail en laboratoire.

Références bibliographiques indicatives
Fonction splash / collision lit-particule
● Mitha, S., Tran, M.Q., Werner, B.T., Haff, P.K. (1986). The grain-bed impact process in aeolian saltation. Acta Mechanica, 63(1), 267–278.
● Beladjine, D., Ammi, M., Oger, L., Valance, A. (2007). Collision process between an incident bead and a three-dimensional granular packing. Phys. Rev. E, 75, 061305.
● Ralaiarisoa, V., Dupont, P., Ould El Moctar, A., Naaim-Bouvet, F., Oger, L., Valance, A. (2022). Particle impact on a cohesive granular media. Phys. Rev. E, 105, 054902.
● Selmani, H., Besnard, J-B., Ould El Moctar, A., Dupont, P., Valance, A. (2024). Experimental study of particle impact on cohesive granular packing. Phys. Rev. E, 110, 014901.
● Khalil, A., Bellot, H., Ito, Y., Dupont, P., Naaim-Bouvet, F., Ould El Moctar, A., Valance, A. (2025). Effect of sintering on aeolian snow erosion. EPJ Web of Conferences, 340, 06009.
Saltation (état de l’art)
● Kosugi, K., Nishimura, K., Maeno, N. (1995). Studies on the dynamics of saltation in drifting snow. Report of the NIED, 54, 111–154.
● Sato, T., Kosugi, K., Sato, A. (2001). Saltation-layer structure of drifting snow observed in wind tunnel. Annals of Glaciology, 32, 203–208.
● Creyssels, M., Dupont, P., Ould El Moctar, A., Valance, A., Cantat, I., Jenkins, J.T., Pasini, J.M., Rasmussen, K.R. (2009). Saltating particles in a turbulent boundary layer : experiment and theory. J. Fluid Mech., 625, 47–74.
● Kok, J.F., Renno, N.O. (2009). A comprehensive numerical model of steady state saltation (COMSALT). JGR : Atmospheres, 114, D17.
● Comola, F., Gaume, J., Kok, J.F., Lehning, M. (2019). Cohesion-induced enhancement of aeolian saltation. GRL, 46(10), 5566–5574.
● Brito Melo, D., Sigmund, A., Lehning, M. (2024). Understanding snow saltation parameterizations : lessons from theory, experiments and numerical simulations. The Cryosphere, 18, 1287–1313.
Cohésion (solide / liquide)
● Soulié, F., El Youssoufi, M.S., Delenne, J-Y., Voivret, C., Saix, C. (2007). Effect of the crystallization of a solute on the cohesion in granular materials. Powder Technology, 175(1), 43–47.
● Besnard, J-B., Dupont, P., Ould El Moctar, A., Valance, A. (2022). Aeolian erosion thresholds for cohesive sand. JGR : Earth Surface, 127(11), e2022JF006803.
● Mitarai, N., Nori, F. (2006). Wet granular materials. Preprint.