Mathematical modeling and simulation of non-equilibrium plasmas : application to magnetic reconnection in the Sun atmosphere
Modélisation mathématique et simulation des plasmas hors équilibres pour la prédiction de la reconnexion magnétique : application à l’atmosphère solaire
Résumé
The ability to model, simulate and predict magnetic reconnection (MR) is a stumbling block in order to predict space weather and geomagnetic storms, which can lead to great perturbation of satellites. Some fundamental aspects of MR are not yet well understood. The scientific issue at stake is the proper description of the unsteady energy transfer from magnetic energy to kinetic and thermal energy, which is still out of reach for the standard Magneto-hydrodynamics (MHD) models. The first objective of the present project is to develop a coherent fluid model for magnetized plasmas out of thermal and chemical equilibrium with a detailed description of the dissipative effects based on kinetic theory of gases, which thus inherits a proper mathematical structure. The second goal is the development of a new numerical strategy, with high accuracy and robustness, based on a massively parallel code with adaptive mesh refinement able to cope with the full spectrum of scales of the model and related stiffness. The whole set of transport coefficients, thermodynamics relations and chemical rates in this magnetized two-temperature setting will be studied and compared to the one in the literature used in the field. Then, we will show that the model and related numerical strategy, obtained from this transdisciplinary work involving engineering, plasma physics, solar physics, mathematics, scientific computing and HPC, is able to properly reproduce the physics of MR. The validation of the approach through a series of test-cases relevant for the application to the dynamics of solar atmosphere in connection with VKI and NASA will provide a tool, open to the community, capable of resolving several critical scientific and technological issues.
La capacité de modéliser, simuler et prédire le phénomène de reconnexion magnétique est un enjeu crucial pour de nombreuses applications (ITER, plasmas astrophysiques) et impacte la prédiction du « temps solaire » et des « orages magnétiques » pouvant perturber les satellites. L’enjeu scientifique fondamental est la description du transfert instationnaire d’énergie magnétique en énergie cinétique et thermique, encore hors d’atteinte des modèles magnéto-hydrodynamique (MHD) actuels. L’objectif premier de la thèse est le développement d’un modèle fluide cohérent de plasma magnétisé hors équilibrethermique et chimique avec une description détaillée des effets dissipatifs basée sur la théorie cinétique des gaz et une bonne structure mathématique. Le second repose sur le développement d’une stratégie numérique innovante, précise et robuste, dans un code de calcul massivement parallèle avec adaptation demaillage permettant de capturer tout le spectre d’échelle en jeu et la raideur numérique en résultant. L’ensemble des coefficients de transport, la thermodynamique et la chimie correspondante seront étudiés et comparés aux données préalablement utilisées dans le domaine. Puis on montrera que le modèle et sa simulation, issus d’un travail transdisciplinaire impliquant ingénierie, physique des plasmas, physique solaire, mathématique, et calcul scientifique et parallèle, est capable de reproduire correctement la physique du phénomène. La validation de l’approche à travers une série de cas test issus de l’application à la dynamique de l’atmosphère solaire en lien avec la NASA et le VKI permettra de disposer d’un outil, ouvert à la communauté, capable de lever plusieurs verrous scientifiques et technologiques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)