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AbstractAbstract
[en] This thesis deals with the mathematical modeling and the numerical simulation of several evolution equations with a stiff term which model phenomena coming from plasma physics and fluid mechanics. Thermonuclear plasmas are a highly unstable and anisotropic medium, where the occurrence of several interesting mathematical problems. The first part concerns toy-models obtained from the anisotropic Vlasov equation. The aim is to develop numerical methods (in particular asymptotic-preserving schemes) which resolve efficiently these problems, in the aim to pass then to more complex physical models. In particular, this work has permitted to highlight both advantages and drawbacks of the developed numerical schemes depending on the considered problem. The second part is dedicated to the study of more complex models, in particular to the Vlasov-Poisson system. From a numerical point of view, an AP scheme is developed, based on a Micro-Macro decomposition coupled with a regularization technique. Thanks to this scheme, it is possible to attain the BGK waves, solution of the Vlasov-Poisson equation, in few time iterations, avoiding thus an important accumulation of numerical errors. The last part focus on the study of a Vorticity-Poisson system, coming from fluid mechanics. In particular, two characteristics flows of this system are investigated: the so-called Taylor-Green and Kolmogorov flows. The first one permits mainly to validate our numerical procedure, similar to that evoked in the last part. However, the Kolmogorov flow is more deeply studied. It can lead to an unstable flow under certain conditions. An analytical result for the linear instability is given, linking the growth rate of the instability phase with the aspect ratio of the domain. Then, both non-linear and saturation phases are numerically investigated. In particular, the special AP-properties of our scheme permit us to attain in only few iterations a new equilibrium of the instability. (author)
[fr]
Cette these de doctorat a pour thematique la modelisation mathematique et la simulation numerique de plusieurs equations d'evolution anisotropes qui modelisent des phenomenes issus de la physique des plasmas et de la mecanique des fluides. Les plasmas de fusion thermonucleaires sont un milieu tres instable et anisotrope, d'ou l'apparition de plusieurs problemes mathematiques interessants et complexes. La premiere partie porte sur des modeles jouets issus de l'equation de Vlasov anisotrope. L'objectif etant de developper des schemas numeriques (en particulier des schemas preservant l'asymptotique) qui resolvent ces modeles de maniere efficace en vue de les implementer ulterieurement sur des modeles plus physiques et plus complexes. En particulier, ce travail a permis de degager les avantages et les inconvenients de nos schemas numeriques en fonction de la nature du probleme considere. La seconde partie est dediee a l'etude de modeles plus complexes, notamment le systeme de Vlasov-Poisson. D'un point de vue numerique, un seul schema preservant l'asymptotique, base sur une decomposition Micro-Macro couple avec une methode de regularisation est developpe. Grace a ce schema, il sera possible d'atteindre les etats d'equilibres BGK du systeme de Vlasov-Poisson en quelques iterations temporelles, en evitant ainsi une importante accumulation d'erreurs numeriques. La derniere partie s'attache a etudier un systeme de Vorticite-Poisson, issu de la mecanique des fluides. En particulier, deux ecoulements caracteristiques de ce systeme seront etudies: les ecoulements de Taylor-Green et de Kolmogorov. Le premier permettra principalement de valider notre procedure numerique, qui est similaire a la procedure deja evoquee dans la partie precedente. En revanche, nous etudions plus en detail l'ecoulement de Kolmogorov qui peut conduire a une instabilite sous certaines conditions. Un resultat analytique est donne pour la phase lineaire de cette instabilite, reliant le taux d'instabilite et la rapport d'aspect du domaine. Les phases non-lineaire et de saturation sont ensuite etudiees numeriquement. En particulier, les proprietes AP de notre schema permettront d'atteindre en quelques iterations en temps un nouvel equilibre issu de l'instabiliteOriginal Title
Etude mathematique et numerique d'equations cinetiques et fluides multi-echelles pour la description d'un plasma de fusion
Primary Subject
Secondary Subject
Source
30 Sep 2019; 162 p; 140 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; Mathematiques Appliquees
Record Type
Report
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
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INIS VolumeINIS Volume
INIS IssueINIS Issue