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AbstractAbstract
[en] This work is dedicated study of a problem resulting from plasma physics: the thermal transfer of electrons in a plasma close to equilibrium Maxwellian. Firstly, a dimensional study of the Vlasov-Fokker-Planck-Maxwell system is performed, allowing one hand to identify a physically relevant parameter of scale and also to define mathematically the contours of validity domain. The asymptotic regime called Spitzer-Harm is studied for a relatively general class of collision operator. The following part of this work is devoted to the derivation and study of the hydrodynamic limit of the system of Vlasov-Maxwell-Landau outside the strictly asymptotic. A model proposed by Schurtz and Nicolais located in this context and analyzed. The particularity of this model lies in the application of a delocalization operation in the heat flux. The link with non-local models of Luciani and Mora is established as well as mathematics properties as the principle of maximum and entropy dissipation. Then a formal derivation from the Vlasov equations with a simplified collision operator, is proposed. The derivation, inspired by the recent work of D. Levermore, involves decomposition methods according to the spherical harmonics and methods of closing called diffusion methods. A hierarchy of intermediate models between the kinetic equations and the hydrodynamic limit is described. In particular a new hydrodynamic system integro-differential by nature, is proposed. The Schurtz and Nicolai model appears as a simplification of the system resulting from the derivation, assuming a steady flow of heat. The above results are then generalized to account for the internal energy dependence which appears naturally in the equation establishment. The existence and uniqueness of the solution of the nonstationary system are established in a simplified framework. The last part is devoted was the implementation of a specific numerical scheme to solve these models. We propose a finite volume approach can be effective on unstructured grids. The originality of the scheme lies in the discretization of the unknown as a digital average value of heat flux on faces of control volumes. The precision of this scheme to capture the specific effects, kinetic by nature that cannot be reproduced by the asymptotic Spitzer-Harm model, as for example the effects called 'anti-diffusion' heat flux. The consistency of this pattern with that of Spitzer-Harm equation is highlighted, paving the way for a strategy of coupling the two models. (author)
[fr]
Ce travail est consacre a l'etude d'un probleme issu de la physique des plasmas: le transfert thermique des electrons dans un plasma proche de l'equilibre Maxwellien. Dans un premier temps, une etude dimensionnelle du systeme de Vlasov-Fokker- Planck-Maxwell est realisee, permettant d'une part d'exhiber un parametre de mise a l'echelle physiquement pertinent et d'autre part de definir mathematiquement les contours du cadre d'etude. Le regime asymptotique dit de Spitzer-Harm est etudie pour une classe d'operateurs de collisions relativement generale. La suite de ce travail est consacree a la derivation et a l'etude de la limite hydrodynamique du systeme de Vlasov-Landau-Maxwell hors du cadre strictement asymptotique. Un modele propose par Schurtz et Nicolai est alors situe dans ce contexte et analyse. La particularite de ce modele reside dans l'application d'un operateur de delocalisation sur le flux de chaleur. Le lien avec les modeles non-locaux de Luciani et Mora est etabli, ainsi que des proprietes mathematiques comme le principe du maximum et la dissipation d'entropie. Ensuite, une derivation formelle a partir des equations de Vlasov, avec un operateur de collisions simplifie est proposee. La derivation, inspiree par les recents travaux de D. Levermore, fait intervenir des methodes de decomposition suivant les harmoniques spheriques et des methodes de fermeture dite de diffusion. Une hierarchie de modeles intermediaires entre les equations cinetiques et la limite hydrodynamique est ainsi decrite. Notamment, un nouveau systeme hydrodynamique, de nature integro-differentielle, est propose. Le systeme de Schurtz et Nicolaiapparait comme une simplification du systeme issu de la derivation, si l'on suppose un flux de chaleur stationnaire. Les resultats precedents sont alors generalises pour tenir compte de la dependance en energie interne qui apparait naturellement au cours de la mise en equations. L'existence et l'unicite de la solution du systeme non stationnaire sont egalement etablies dans un cadre simplifie. La derniere partie est consacree a la mise en oeuvre d'un schema numerique specifique pour resoudre ces modeles. On propose une approche par volumes finis pouvant etre efficace sur des maillages non-structures. L'originalite du schema reside dans la discretisation de l'inconnue numerique comme valeur moyenne du flux de chaleur sur les faces des volumes de controle. La precision de ce schema permet de capturer des effets specifiques de nature cinetique, qui ne peuvent etre reproduits par le modele asymptotique de Spitzer-Harm, par exemple les effets de flux dit 'd'anti-diffusion'. La consistance de ce schema avec celui de l'equation de Spitzer-Harm est raise en evidence ouvrant la voie a des strategies de couplage entre les deux modelisationsOriginal Title
Modelisation intermediaire entre equations cinetiques et limites hydrodynamiques: derivation, analyse et simulations
Primary Subject
Source
23 Sep 2011; 152 p; 87 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/INIS/contacts/; Also available from Documentation Universite des sciences et technologies de Lille, Cite scientifique BP 30155 59653 Villeneuve d'Ascq Cedex (France); Mathematiques Appliquees
Record Type
Report
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
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INIS VolumeINIS Volume
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