Réductions fluides hamiltoniennes des équations cinétiques en physique des plasmas

Hamiltonian fluid reductions of kinetic equations in plasma physics

• Auteur / Autrice : Maxime Perin
• Direction : Cristel Chandre, Emanuele Tassi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique Théorique et Mathématique
• Date : Soutenance le 19/09/2016
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de physique théorique (Marseille ; Toulon ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Garbet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Özgür Gürcan, Alain Jean Brizard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bradley Shadwick, Eric Sonnendrücker

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations cinétiques

Opérateur hamiltonien

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Physique des plasmas

Réduction fluide

Système hamiltonien

Équation cinétique

Dynamique non linéaire

Plasma physics

Fluid reduction

Hamiltonian system

Kinetic equation

Nonlinear dynamics

Résumé

La réduction fluide des équations cinétiques est un procédé couramment utilisé en physique des plasmas qui a pour objectif de remplacer la fonction de distribution définie dans l'espace des phases par des grandeurs fluides comme la densité et la pression. Cette réduction diminue la complexité du système initial. En contrepartie, la réduction fluide s'accompagne de la nécessité d'effectuer une fermeture sur les moments d'ordre supérieur. Celle-ci est souvent construite ad hoc en se basant sur des arguments physiques (e.g., quantités conservées, existance d'un théorème H, ...). Dans ce manuscrit, on propose un procédé de réduction qui permet de préserver la structure hamiltonienne du modèle cinétique parent. Ceci est important pour assurer qu'aucune dissipation d'origine non physique est introduite dans le modèle fluide, le munissant ainsi d'une structure hamiltonienne dont l'origine peut être suivie jusqu'à celle de la dynamique microscopique des particules. On utilise cette méthode pour construire des modèles fluides non-adiabatiques pour les trois premiers moments de la fonction de distribution associée à l'équation de Vlasov-Poisson à une dimension, i.e., la densité, la vitesse fluide et la pression. Les résultats sont ensuite étendus pour inclure la dynamique du flux de chaleur en considérant des fermetures construites à partir de l'analyse dimensionnelle. On montre également, pour un nombre arbitraire de champs, la relation existant avec le modèle water-bags. L'extension à des dimensions supérieures est étudiée dans le cadre de l'équation drift-cinétique ainsi que de l'équation de Vlasov-Poisson à trois dimensions.

Fluid reduction of kinetic equations is a ubiquitous procedure in plasma physics which aims to replace the distribution function defined in phase space with more concrete fluid quantities defined solely in configuration space such as the density, the fluid velocity and the pressure. This reduction lowers the complexity of the initial system, leading to a gain of physical insight into the phenomena under investigation as well as a significant decrease of the cost of numerical simulations. On the other hand, in order for the fluid reduction to be complete, one needs to perform a closure on the higher order fluid moments. The choice of the closure usually relies on some ad hoc physical arguments (e.g., conserved quantities, existence of an H-theorem, ...). In this manuscript, we present a reduction procedure that preserves the Hamiltonian structure of the parent kinetic model. This is important in order to ensure that no non-physical dissipation is introduced in the resulting fluid model, providing it with a geometric structure that can be traced back to the microscopic dynamics of the particles. We use this procedure to derive non-adiabatic fluid models for the first three fluid moments of the distribution function of the one dimensional Vlasov-Poisson equation, namely the density, the fluid velocity and the pressure. The results are extended to include the dynamics of the heat-flux by considering a closure based on dimensional analysis. For an arbitrary number of fields, we demonstrate the relationship with the water-bags model. Finally, the extension to higher dimensions is investigated through the drift-kinetic equation and the three dimensional Vlasov-Poisson equation.