| Fichiers |
PhD_CCLalescu.pdf PhD_CCLalescu_summary_en.pdf PhD_CCLalescu_summary_fr.pdf |
| Auteur | Lalescu, Cristian Constantin |
| Titre | Test Particle Transport in Turbulent Magnetohydrodynamic Structures |
| Département | F407 - Faculté des sciences - Physique (dcarati@ulb.ac.be) |
| Intitulé du diplôme | Doctorat en Sciences |
| Date de défense | 2011-07-01 |
| Jury |
Brénig, Léon (Membre du jury/Committee Member) Knaepen, Bernard (Membre du jury/Committee Member) Saliu, Solange Odile (Membre du jury/Committee Member) Spineanu, Florin (Membre du jury/Committee Member) Constantinescu, Radu Dan (Président du jury/Committee Chair) Carati, Danièle (Promoteur/Director) Grecu, Dan Bucur (Promoteur/Director) |
| Mots-clés | code optimization, pseudo-spectral simulations, anisotropic transport, Poincaré sections, global invariant conservation, spline interpolation, Kolmogorov flow, direct numerical simulation |
| Résumé | Turbulent phenomena are found in both natural (e.g. the Earth's oceans, the Sun's corona) and artificial (e.g. flows through pipes, the plasma in a tokamak device) settings; evidence suggests that turbulence is usually the normal behaviour in most cases. Turbulence has been studied extensively for more than a century, but a complete and consistent theoretical description of it has not yet been proposed. It is in this context that the motion of particles under the influence of turbulent fields is studied in this work, with direct numerical simulations. The thesis is structured in three main parts. The first part describes the tools that are used. Methods of integrating particle trajectories are presented, together with a discussion of the properties that these methods should have. The simulation of magnetohydrodynamic (MHD) turbulence is discussed, while also introducing fundamental concepts of fluid turbulence. Particle trajectory integration requires information that is not readily available from simulations of turbulent flows, so the interpolation methods needed to adapt the fluid simulation results are constructed as well. The second part is dedicated to the study of two MHD problems. Simulations of Kolmogorov flow in incompressible MHD are presented and discussed, and also simulations of the dynamo effect in compressible MHD. These two scenarios are chosen because large scale structures are formed spontaneously by the turbulent flow, and there is an interest in studying particle transport in the presence of structures. Studies of particle transport are discussed in the third part. The properties of the overall approach are first analyzed in detail, for stationary predefined fields. Focus is placed on the qualitative properties of the different methods presented. Charged article transport in frozen turbulent fields is then studied. Results concerning transport of particles in fully developed, time-evolving, turbulent fields are presented in the final chapter.
La turbulence est un phénomène observé dans de nombreux systèmes naturels (par exemple, l'atmosphère, les océans ou la couronne solaire) et artificiels (par exemple les écoulements dans des canalisations, les plasmas dans les tokamaks). L'experience suggère que la turbulence est généralement l'état, ou encore le régime, normal dans la plupart de ces cas. La turbulence a été étudié depuis plus d'un siècle, mais une description théorique complète et cohérente de celle-ci n'a pas encore été proposée. C'est dans ce contexte que le mouvement des particules sous l'influence des champs turbulents est étudié dans ce travail, en utilisant principalement des simulations numériques directes. La thèse est structurée en trois parties principales. La première partie décrit les outils qui sont utilisés. Les méthodes d'intégration des trajectoires des particules sont présentées, ainsi qu'une discussion sur les propriétés que ces méthodes devraient présenter. La simulation de la turbulence magnétohydrodynamique (MHD) est discutée, tout en introduisant des concepts fondamentaux de la turbulence des fluides. L'intégration de trajectoire de particules exige des informations qui ne sont pas directement disponibles à partir de simulations des écoulements turbulents. Des méthodes d'interpolation sont alors nécessaires pour adapter les résultats de simulation des fluides. La deuxième partie est consacrée à l'étude de deux problèmes MHD. Des simulations de l'écoulement de Kolmogorov dans la MHD incompressible sont présentés et discutés ainsi que des simulations de l'effet dynamo dans la MHD compressible. Ces deux exemples sont choisis parce que des structures à grande échelle se forment spontanément dans ces écoulements. L'interaction entre ces structures et la dynamique des particules est alors très riche. Des études du transport de particules sont discutées dans la troisième partie. Les propriétés de l'approche proposée sont d'abord analysées en détail, pour des champs prédéfinis et stationnaires. L'accent est mis sur les propriétés qualitatives des différentes méthodes présentées. Le transport de particules dans des champs turbulents gelés est ensuite étudié. Dans le dernier chapitre, des résultats concernant le transport de particules dans des champs turbulents pleinement développés et évoluant dans le temps sont présentés. |