Méthodes déterministes de résolution des équations de Vlasov-Maxwell relativistes en vue du calcul de la dynamique des ceintures de Van Allen

Deterministic methods for the relavistic Vlasov-Maxwell equations and the Van Allen radiation belts dynamics

• Auteur / Autrice : Solène Le Bourdiec
• Direction : Florian de Vuyst
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie du transport

Van Allen, Ceinture de

Mots clés libres

Vlasov - poisson

Vlasov - Maxwell

Instabilité Weibel

Parallélisation

Facteur d'échelle

Résumé

Les satellites artificiels baignent dans un environnement radiatif hostile qui conditionne en partie leur fiabilité et leur durée de vie en opération : les ceintures de Van Allen. Afin de les protéger, il est nécessaire de caractériser la dynamique des électrons énergétiques piégés dans les ceintures radiatives. Elle est déterminée essentiellement par les interactions entre les électrons énergétiques et les ondes électromagnétiques existantes. Le travail de cette thèse a consisté à concevoir un schéma numérique original pour la résolution du système d'équations modélisant ces interactions : les équations de Vlasov-Maxwell relativistes. Notre choix s'est orienté vers des méthodes d'intégration directe. Nous proposons trois nouvelles méthodes spectrales pour discrétiser en impulsion les équations : une méthode de Galerkin et deux méthodes de type collocation. Ces approches sont basées sur des fonctions de Hermite qui ont la particularité de dépendre d'un facteur d'échelle permettant d'obtenir une bonne résolution en vitesse. Nous présentons dans ce manuscript les calculs conduisant à la discrétisation et à la résolution du problème de Vlasov-Poisson monodimensionnel ainsi que les résultats numériques obtenus. Puis nous étudions les extensions possibles des méthodes au problème complet relativiste. Afin de réduire les temps de calcul, une parallélisation et une optimisation des algorithmes ont été mises en oeuvre. Enfin, les calculs de validation du code 1Dx-3Dv, à partir d'instabilités de types Weibel et whistlers, à une ou deux espèces d'électrons, sont détaillés.

Artificial satellites operate in an hostile radiation environment, the Van Allen radiation belts, which partly condition their reliability and their lifespan. In order to protect them, it is necessary to characterize the dynamics of the energetic electrons trapped in these radiation belts. This dynamics is essentially determined by the interactions between the energy electrons and the existing electromagnetic waves. This work consisted in designing a numerical scheme to solve the equations modelling these interactions: the relativistic Vlasov-Maxwell system of equations. Our choice was directed towards methods of direct integration. We propose three new spectral methods for the momentum discretization: a Galerkin method and two collocation methods. All of them are based on scaled Hermite functions. The scaling factor is choosen in order to obtain the proper velocity resolution. We present in this thesis the discretization of the one-dimensional Vlasov-Poisson system and the numerical results obtained. Then we study the possible extensions of the methods to the complete relativistic problem. In order to reduce the computing time, parallelization and optimization of the algorithms were carried out. Finally, we present 1Dx-3Dv computations of Weibel and whistler instabilities with one or two electrons species.