MHD simulations of the Reversed Field Pinch

par Robert Chahine

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Wouter Bos.

Soutenue le 30-11-2017

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec École Centrale de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Daniel Henry.

Le jury était composé de Wouter Bos, Benjamin Favier, Olivier Agullo.

Les rapporteurs étaient Susanna Cappello, Pablo Minnini.

  • Titre traduit

    Simulations MHD du Reversed Field Pinch


  • Résumé

    La dynamique des plasmas de fusion par confinement magnétique dans la configuration Reversed Field Pinch (RFP) est ´étudiée en utilisant la description magnétohydrodynamique (MHD) incompressible. Une méthode pseudo-spectrale et une technique de pénalisation en volume sont utilisées pour résoudre le système d’équations dans un cylindre. Les simulations numériques montrent que la pression joue un rôle important dans la dynamique des RFP et ne peut pas être négligée. Ainsi, ß n’est plus le paramètre principal pour décrire la dynamique des RFPs mais plutôt ß’ ∇, un nouveau paramètre qui équivaut le rapport du module de gradient de pression et le module de la force de Lorentz. A un autre niveau, l’effet du changement de la section poloïdale du RFP sur la dynamique est étudié. Les simulations des écoulements RFP ayant le même nombre de Lundquist et des sections différentes (circulaire et elliptique), montrent une grande différence dans les spectres et la diffusion turbulente radiale. Finalement, les écoulements RFP sont utilisés pour étudier l’effet dynamo. Les résultats obtenus montrent que les écoulements RFP sont capables d’amplifier un champ magnétique passif qui aura une tendance à être plus non-linéaire que le champ magnétique du RFP dans les régimes turbulents.


  • Résumé

    The dynamics of magnetic fusion plasmas in the Reversed Field Pinch (RFP) configuration are studied using an incompressible magnetohydrodynamics (MHD) description. A pseudospectral method combined with a volume penalization method are used to resolve the governing equations in a straight cylinder. Numerical simulations show that the pressure effects on the RFP dynamics cannot be neglected, and thus the _ parameter is not adequate to characterize the importance of pressure in the dynamics. A new parameter, _0r , which is the ratio of the pressure gradient’s magnitude to the Lorentz force’s magnitude, is proposed to be the proper parameter to describe the RFP dynamics. Another investigated influence on the RFP dynamics is the shaping of the poloidal cross-section. Simulations of flows with the same Lundquist number and different cross-sections (circular and elliptic) show a clear change in the spectral behaviour, as well as in the radial turbulent diffusion. Finally, the RFP flows are used to study the dynamo effect. Numerical results show that RFP flows are capable of amplifying a seed magnetic field, which will have tendency to be more nonlinear than the RFP magnetic field in the turbulent regime.


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Informations

  • Sous le titre : MHD simulations of the Reversed Field Pinch
  • Détails : 1 vol. (128 p.)
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