Multiscale approximation of Vlasov equation
Approximation multi-échelles de l'équation de Vlasov
Résumé
One of the most important difficulties of numerical simulation of magnetized plasmas is the existence of multiple time and space scales, which can be very different. In order to produce good simulations of these multiscale phenomena, it is recommended to develop some models and numerical methods which are adapted to these problems.
Nowadays, the two-scale convergence theory introduced by G. Nguetseng and G. Allaire is one of the tools which can be used to rigorously derive multiscale limits and to obtain new limit models which can be discretized with a usual numerical method: this procedure is so-called a two-scale numerical method.
The purpose of this thesis is to develop a two-scale semi-lagrangian method and to apply it on a gyrokinetic Vlasov-like model in order to simulate a plasma submitted to a large external magnetic field. However, the physical phenomena we have to simulate are quite complex and there are many questions without answers about the behaviour of a two-scale numerical method, especially when such a method is applied on a nonlinear model.
In a first part, we develop a two-scale finite volume method and we apply it on the weakly compressible 1D isentropic Euler equations. Even if this mathematical context is far from a Vlasov-like model, it is a relatively simple framework in order to study the behaviour of a two-scale numerical method in front of a nonlinear model.
In a second part, we develop a two-scale semi-lagrangian method for the two-scale model developed by E. Frénod, F. Salvarani et E. Sonnendrücker in order to simulate axisymmetric charged particle beams. Even if the studied physical phenomena are quite different from magnetic fusion experiments, the mathematical context of the one-dimensional paraxial Vlasov-Poisson model is very simple for establishing the basis of a two-scale semi-lagrangian method.
In a third part, we use the two-scale convergence theory in order to improve M. Bostan's weak-* convergence results about the finite Larmor radius model, and we develop a forward semi-lagrangian method in order to validate these theoretical results.
Nowadays, the two-scale convergence theory introduced by G. Nguetseng and G. Allaire is one of the tools which can be used to rigorously derive multiscale limits and to obtain new limit models which can be discretized with a usual numerical method: this procedure is so-called a two-scale numerical method.
The purpose of this thesis is to develop a two-scale semi-lagrangian method and to apply it on a gyrokinetic Vlasov-like model in order to simulate a plasma submitted to a large external magnetic field. However, the physical phenomena we have to simulate are quite complex and there are many questions without answers about the behaviour of a two-scale numerical method, especially when such a method is applied on a nonlinear model.
In a first part, we develop a two-scale finite volume method and we apply it on the weakly compressible 1D isentropic Euler equations. Even if this mathematical context is far from a Vlasov-like model, it is a relatively simple framework in order to study the behaviour of a two-scale numerical method in front of a nonlinear model.
In a second part, we develop a two-scale semi-lagrangian method for the two-scale model developed by E. Frénod, F. Salvarani et E. Sonnendrücker in order to simulate axisymmetric charged particle beams. Even if the studied physical phenomena are quite different from magnetic fusion experiments, the mathematical context of the one-dimensional paraxial Vlasov-Poisson model is very simple for establishing the basis of a two-scale semi-lagrangian method.
In a third part, we use the two-scale convergence theory in order to improve M. Bostan's weak-* convergence results about the finite Larmor radius model, and we develop a forward semi-lagrangian method in order to validate these theoretical results.
Une des difficultés fondamentales de la simulation numérique de plasmas magnétisés est l'existence d'échelles de temps et d'espace mettant en jeu plusieurs ordres de grandeurs très différents. Afin de réaliser des simulations numériques efficaces de ces phénomènes physiques, il est essentiel de développer des modèles et des méthodes numériques adaptés à ces problèmes.
A ce jour, la notion de convergence 2-échelles introduite par G. Allaire et G. Nguetseng est un des outils permettant de dériver rigoureusement des limites multi-échelles, ce qui nous permet d'obtenir des modèles limites qu'il est possible de discrétiser avec une méthode numérique usuelle : nous parlons alors d'une méthode numérique 2-échelles.
L'objectif de cette thèse est de développer une méthode semi-lagrangienne 2 échelles sur un modèle de type Vlasov gyrocinétique afin de simuler un plasma soumis à un champ magnétique fort du même type que ceux utilisés pour le projet ITER. Cependant, comme les phénomènes physiques à simuler sont assez complexes et comme nous ne savons que peu de choses sur le comportement d'une méthode numérique 2-échelles sur un modèle non-linéaire, il convient de procéder par étapes avant de développer une telle méthode sur un modèle gyrocinétique.
Dans une première partie, nous construisons une méthode de volumes finis 2-échelles sur les équations d'Euler 1D isentropiques faiblement compressibles. Bien que ce modèle soit assez différent d'un modèle de type Vlasov, il n'en est pas moins un cadre de travail relativement simple pour étudier le comportement d'une méthode numérique 2-échelles face à un modèle non-linéaire.
Dans une seconde partie, nous nous basons sur le modèle limite développé par E. Frénod, F. Salvarani et E. Sonnendrücker afin de construire une méthode semi-lagrangienne 2-échelles pour simuler des faisceaux de particules en géométrie axisymétrique. Même si le modèle de Vlasov axisymétrique utilisé est différent d'un modèle gyrocinétique, il constitue un contexte idéal pour établir les bases d'une méthode semi-lagrangienne 2 échelles.
Enfin, dans une troisième partie, nous utilisons la convergence 2-échelles afin d'améliorer les résultats de convergence faible-* établis par M. Bostan en 2007, et nous proposons une méthode semi-lagrangienne en avant permettant de valider numériquement ces résultats.
A ce jour, la notion de convergence 2-échelles introduite par G. Allaire et G. Nguetseng est un des outils permettant de dériver rigoureusement des limites multi-échelles, ce qui nous permet d'obtenir des modèles limites qu'il est possible de discrétiser avec une méthode numérique usuelle : nous parlons alors d'une méthode numérique 2-échelles.
L'objectif de cette thèse est de développer une méthode semi-lagrangienne 2 échelles sur un modèle de type Vlasov gyrocinétique afin de simuler un plasma soumis à un champ magnétique fort du même type que ceux utilisés pour le projet ITER. Cependant, comme les phénomènes physiques à simuler sont assez complexes et comme nous ne savons que peu de choses sur le comportement d'une méthode numérique 2-échelles sur un modèle non-linéaire, il convient de procéder par étapes avant de développer une telle méthode sur un modèle gyrocinétique.
Dans une première partie, nous construisons une méthode de volumes finis 2-échelles sur les équations d'Euler 1D isentropiques faiblement compressibles. Bien que ce modèle soit assez différent d'un modèle de type Vlasov, il n'en est pas moins un cadre de travail relativement simple pour étudier le comportement d'une méthode numérique 2-échelles face à un modèle non-linéaire.
Dans une seconde partie, nous nous basons sur le modèle limite développé par E. Frénod, F. Salvarani et E. Sonnendrücker afin de construire une méthode semi-lagrangienne 2-échelles pour simuler des faisceaux de particules en géométrie axisymétrique. Même si le modèle de Vlasov axisymétrique utilisé est différent d'un modèle gyrocinétique, il constitue un contexte idéal pour établir les bases d'une méthode semi-lagrangienne 2 échelles.
Enfin, dans une troisième partie, nous utilisons la convergence 2-échelles afin d'améliorer les résultats de convergence faible-* établis par M. Bostan en 2007, et nous proposons une méthode semi-lagrangienne en avant permettant de valider numériquement ces résultats.
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