Published September 20, 2017 | Version v1
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Asymptotic and numerical analysis of kinetic and fluid models for the transport of charged particles

Description

This thesis is devoted to the mathematical study of some models of partial differential equations from plasma physics. We are mainly interested in the theoretical study of various asymptotic regimes of Vlasov-Poisson-Fokker-Planck systems. First, in the presence of an external magnetic field, we focus on the approximation of massless electrons providing reduced models when the ratio me/mi between the mass me of an electron and the mass mi of an ion tends to 0 in the equations. Depending on the scaling, it is shown that, at the limit, solutions satisfy hydrodynamic models of convection-diffusion type or are given by Maxwell-Boltzmann-Gibbs densities depending on the intensity of collisions. Using hypo- coercive and hypo-elliptic properties of the equations, we are able to obtain convergence rates as a function of the mass ratio. In a second step, by similar methods, we show exponential convergence of solutions of the Vlasov-Poisson-Fokker-Planck system without magnetic field towards the steady state, with explicit rates depending on the parameters of the model. Finally, we design a new type of finite volume scheme for a class of nonlinear convection-diffusion equations ensuring the satisfying long-time behavior of discrete solutions. These properties are verified numerically on several models including the Fokker-Planck equation with magnetic field. (author)

Abstract (French)

Cette these est consacree a l'etude mathematique de quelques modeles d'equations aux derivees partielles issues de la physique des plasmas. On s'interesse principalement a l'analyse theorique de differents regimes asymptotiques de systemes d'equations cinetiques de type Vlasov-Poisson-Fokker-Planck. Dans un premier temps, en presence d'un champ magnetique exterieur on se concentre sur l'approximation des electrons sans masse fournissant des modeles reduits lorsque le rapport me/mi entre la masse me d'un electron et la masse mi d'un ion tend vers 0 dans les modeles. Suivant le regime considere, on montre qu'a la limite les solutions verifient des modeles hydrodynamiques de type convection-diffusion ou sont donnees par des densites de type Maxwell-Boltzmann-Gibbs, suivant l'intensite des collisions dans la mise a l'echelle. En utilisant les proprietes hypocoercives et hypoelliptiques des equations, on est capable d'obtenir des taux de convergence en fonction du rapport de masse. Dans un second temps, par des methodes similaires, on montre la convergence exponentielle en temps long vers l'equilibre des solutions du systeme de Vlasov-Poisson-Fokker-Planck sans champ magnetique avec des taux explicites en les parametres du modeles. Enfin, on concoit un nouveau type de schema volumes finis pour des equations de convection-diffusion non-lineaires assurant le bon comportement en temps long des solutions discretes. Ces proprietes sont verifiees numeriquement sur plusieurs modeles dont l'equation de Fokker-Planck avec champ magnetique. (auteur)

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Original title (English)
Analyse asymptotique et numerique de quelques modeles pour le transport de particules chargees

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Imprint Pagination
268 p.
Report number
FRNC-TH--12112

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