Hamiltonian fluid reductions of kinetic equations in plasma physics
Description
Fluid reduction of kinetic equations is a ubiquitous procedure in plasma physics which aims at replacing the distribution function of particles defined in phase space with more concrete fluid quantities defined solely in configuration space such as density, fluid velocity and pressure. This reduction lowers the complexity of the initial system, leading to a gain of physical insight into the phenomena under investigation as well as a significant decrease of the cost of numerical simulations. On the other hand, in order for the fluid reduction to be complete, one needs to perform a closure on the higher order fluid moments. The choice of the closure usually relies on some ad hoc physical arguments (e.g., conserved quantities, existence of an H-theorem,...). In this manuscript, we present a reduction procedure that preserves the Hamiltonian structure of the parent kinetic model. This is important in order to ensure that no non-physical dissipation is introduced in the resulting fluid model, providing it with a geometric structure that can be traced back to the microscopic dynamics of the particles. We use this procedure to derive non-adiabatic fluid models for the first three fluid moments of the distribution function of the one dimensional Vlasov-Poisson equation, namely the density, the fluid velocity and the pressure. The results are extended to include the dynamics of the heat-flux by considering a closure based on dimensional analysis. For an arbitrary number of fields, we demonstrate the relationship with the water-bags model. Finally, the extension to higher dimensions is investigated through the drift-kinetic equation and the three dimensional Vlasov-Poisson equation. (author)
Abstract (French)
La reduction fluide des equations cinetiques est un procede couramment utilise en physique des plasmas qui a pour objectif de remplacer la fonction de distribution des particules definie dans l'espace des phases par des grandeurs fluides plus tangibles comme la densite, la vitesse fluide et la pression definies uniquement dans l'espace des configurations. Cette reduction diminue la complexite du systeme initial, conduisant a une comprehension accrue des phenomenes physiques etudies ainsi qu'a une baisse significative du cout numerique de la simulation des equations du modele. En contrepartie, la reduction fluide s'accompagne de la necessite d'effectuer une fermeture sur les moments d'ordre superieur. Celle-ci est souvent construite ad hoc en se basant sur des arguments physiques (e.g., quantites conservees, existance d'un theoreme H,... ). Dans ce manuscrit, on propose un procede de reduction qui permet de preserver la structure hamiltonienne du modele cinetique parent. Ceci est particulierement important pour assurer qu'aucune dissipation d'origine non physique est introduite dans le modele fluide, le munissant ainsi d'une structure hamiltonienne dont l'origine peut etre suivie jusqu'a celle de la dynamique microscopique des particules. On utilise cette methode pour construire des modeles fluides non-adiabatiques pour les trois premiers moments de la fonction de distribution associee a l'equation de Vlasov-Poisson a une dimension, i.e., la densite, la vitesse fluide et la pression. Les resultats sont ensuite etendus pour inclure la dynamique du flux de chaleur en considerant des fermetures construites a partir de l'analyse dimensionnelle. On montre egalement, pour un nombre arbitraire de champs, la relation existant avec le modele water-bags. L'extension a des dimensions superieures est etudiee dans le cadre de l'equation drift-cinetique ainsi que de l'equation de Vlasov-Poisson a trois dimensions. (auteur)
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Additional titles
- Original title (English)
- Reductions fluides hamiltoniennes des equations cinetiques en physique des plasmas
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 170 p.
- Report number
- FRNC-TH--12116
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 52111031
- Subject category
- S70: PLASMA PHYSICS AND FUSION TECHNOLOGY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- CALCULATION METHODS; DISTRIBUTION FUNCTIONS; HAMILTONIAN FUNCTION; PLASMA; PLASMA FLUID EQUATIONS
- Descriptors DEC
- BOLTZMANN-VLASOV EQUATION; DIFFERENTIAL EQUATIONS; EQUATIONS; FUNCTIONS; PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS
Optional Information
- Notes
- 116 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses