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AbstractAbstract
[en] This thesis participates in the development of advanced numerical methods to simulate plasma instabilities for fusion by magnetic confinement in tokamaks. These flows are described in a general framework by magnetohydrodynamic (MHD) fluid models and can be considered incompressible in some approximations known as reduced MHD models. In this work, the incompressibility constraint is dealt with by the introduction of stream functions. A consequence of this formulation is the appearance of differential terms of order 4 in the equations. The use of C1 functions is then required to apply the conforming Galerkin finite element method. We have used the so-called reduced Clough-Tocher (CT) finite element method on general triangulations. The method has been validated on simple problems and then extended to problems relevant for the study of fusion plasmas. First, plasma equilibrium described by the Grad-Shafranov equation, has been investigated. Then we have studied incompressible models in a pure stream function formulation. First, we introduced a discretization of the incompressible Navier-Stokes equations which constitute a sub-model of the incompressible MHD equations. We have shown the stability in energy of the method and demonstrated its performance on some standard test cases. We have then extended this numerical scheme to the incompressible MHD equations. We have also proved the stability in energy of the numerical approach and applied the numerical scheme to the simulation of the well-known 'tilt instability'. In view of the results obtained, the CT method appears to be suitable for the simulation of plasma instabilities described by MHD models. Due to its capability to represent complex geometry, it compares favorably to other numerical methods in term of accuracy, CPU time, memory cost and versatility. (author)
[fr]
Cette these participe au developpement demethodes numeriques avancees pour simuler les instabilites du plasma pour la fusion par confinement magnetique dans les tokamaks. Ces ecoulements sont decrits dans un cadre general par des modeles fluides de type magnetohydrodynamique(MHD) et peuvent etre consideres comme incompressibles dans certaines approximations connues sous le nom de modeles MHD reduits. Dans ce travail, la contrainte d'incompressibilite est traitee par l'introduction de fonctions de courant. Une consequence de cette formulation est l'apparition de termes differentiels d'ordre 4 dans les equations. L'utilisation de fonctions C1 est alors necessaire pour appliquer la methode des elements finis de Galerkin conforme. Nous avons utilise la methode des elements finis dite de Clough-Tocher (CT) reduite sur des triangulations generales. La methode a ete validee sur des problemes simples, puis etendue a des problemes pertinents pour l'etude des plasmas de fusion. Tout d'abord, l'equilibre des plasmas decrit par l'equation de Grad-Shafranov a ete aborde. Ensuite, nous avons etudie des modeles incompressibles dans une formulation fonction de courant pure. Premierement, nous avons introduit une discretisation des equations incompressibles de Navier-Stokes qui constituent un sous-modele des equations de la MHD incompressible. Nous avons montre la stabilite en energie de la methode et demontre ses performances sur certains cas tests standards. Nous avons ensuite etendu ce schema numerique aux equations de la MHD incompressible. Nous avons egalement demontre la stabilite en energie de l'approche numerique et applique le schema numerique a la simulation d'un probleme d'instabilite du plasma connu sous le nom de 'instabilite du tilt'. Au vu des resultats obtenus, la methode CT s'est revelee adaptee a la simulation des instabilites du plasma decrites par les modeles MHD. En raison de sa capacite a representer des geometries complexes, elle se compare favorablement aux autres methodes numeriques en termes de precision, de temps CPU, de cout memoire et de la flexibilite. (auteur)Original Title
Approximation par elements finis C1 des modeles magnetohydrodynamiques pour les plasmas de fusion
Primary Subject
Source
17 Dec 2020; 189 p; 67 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; These docteur en Sciences de l'Universite Cote d'Azur, Discipline: Mathematiques
Record Type
Miscellaneous
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
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