Diffusion limit of langevin pdf models in weakly inhomogeneous turbulence

In this work, we discuss the modelling of transport in Langevin probability density function (PDF) models used to predict turbulent flows. Our focus is on the diffusion limit of these models, i.e. when advection and dissipation are the only active physical processes. In this limit, we show that Langevin PDF models allow for an asymptotic expansion in terms of the ratio of the integral length to the mean gradient length. The main contribution of this expansion yields an evolution of the turbulent kinetic energy equivalent to that given by a k-epsilon model. In particular, the transport of kinetic energy is given by a gradient diffusion term. Interestingly, the identification between PDF and k-epsilon models raises a number of questions concerning the way turbulent transport is closed in PDF models. In order to validate the asymptotic solution, several numerical simulations are performed.Dans cet article, nous abordons la question de la modélisation du transport turbulent dans les modèles de turbulence basés sur les fonctions de densité de probabilité (PDF). Nous étudions la limite diffusive de ces modèles obtenue lorsque l'advection et la dissipation sont les seuls processus physiques actifs. Dans cette limite, nous montrons que les modèles PDF donnent lieu à un développement asymptotique selon un petit paramètre correspondant au rapport de l'échelle intégrale sur l'échelle du gradient moyen. La contribution principale de ce développement s'identifie avec un modèle k-epsilon classique. En particulier, le transport de l'énergie turbulente est donné par une diffusion en premier gradient. L'identification entre modèle k-epsilon et modèle PDF permet de soulever un certain nombre de questions sur la manière dont le transport est modélisé dans les approches PDF. La solution asymptotique est validée par des simulations numériques réalisées à l'aide d'un code Monte Carlo mais aussi d'un code déterministe

High order resolution of the Maxwell-Fokker-Planck-Landau model intended for ICF applications

A high order, deterministic direct numerical method is proposed for the nonrelativistic $2D_{\bf x} \times 3D_{\bf v}$ Vlasov-Maxwell system, coupled with Fokker-Planck-Landau type operators. Such a system is devoted to the modelling of electronic transport and energy deposition in the general frame of Inertial Confinement Fusion applications. It describes the kinetics of plasma physics in the nonlocal thermodynamic equilibrium regime. Strong numerical constraints lead us to develop specific methods and approaches for validation, that might be used in other fields where couplings between equations, multiscale physics, and high dimensionality are involved. Parallelisation (MPI communication standard) and fast algorithms such as the multigrid method are employed, that make this direct approach be computationally affordable for simulations of hundreds of picoseconds, when dealing with configurations that present five dimensions in phase space

Modélisation et simulation numérique multi-échelle du transport cinétique électronique

Ce manuscrit est dédié au transport relativiste cinétique sous influence de champs magnétiques, identifié comme obstacle pour la modélisation et la simulation intégrée, dans le cadre de la Fusion par Confinement Inertiel (FCI). Une réalisation importante concerne le développement d'un code déterministe de référence, 2Dx-3Dv, de type Maxwell-Fokker-Planck-Landau, permettant la prise en compte de fonctions de distribution à large degré d'anisotropie. Ce travail se situe à l'interface de l'analyse numérique, des mathématiques appliquées, et de la physique des plasmas. Un deuxième résultat marquant concerne la dérivation d'un modèle collisionel multi-échelle, pour le transport d'électrons relativistes dans la matière dense. Des processus importants sont mis en évidence pour la FCI, et une analogie est menée vis-à-vis des processus de transport collisionels connus en radiothérapie. Enfin, un modèle mésoscopique aux moments angulaires, avec fermeture entropique, a été dérivé et utilisé pour le dépôt de dose pour la radiothérapie. Des schémas numériques précis, d'ordre élevé, et robustes, ont été développé dans ce cadre.This manuscript is dedicated to the relativistic kinetic transport, under the influence of the magnetic field, identified as a barrier for the modeling and integrated simulations, in the frame of the Inertial Confinement Fusion (ICF). An important achievement concerns the development of a deterministic, reference code, 2Dx-3Dv, of Maxwell-Fokker-Planck-Landau type, that permits the treatment of distribution functions with large anisotropy degree. This work is at the interface between the numerical analysis, applied mathematics, and plasma physics. Another milestone result concerns the derivation of a multi-scale, collisional model, for the transport of relativistic electrons in dense matter. A set of processes is demonstrated to be of importance for ICF, and an analogy is conducted with respect to well-known collisional transport processes in radiotherapy. Finally, a mesoscopic angular moment model, with entropic closure, is derived and employed for radiotherapy dose computation. High order precise and robust numerical schemes are then developed in this framework

Modelling and Numerical Simulation of the multi-scale kinetic electron transport

Ce manuscrit est dédié au transport relativiste cinétique sous influence de champs magnétiques, identifié comme obstacle pour la modélisation et la simulation intégrée, dans le cadre de la Fusion par Confinement Inertiel (FCI). Une réalisation importante concerne le développement d'un code déterministe de référence, 2Dx-3Dv, de type Maxwell-Fokker-Planck-Landau, permettant la prise en compte de fonctions de distribution à large degré d'anisotropie. Ce travail se situe à l'interface de l'analyse numérique, des mathématiques appliquées, et de la physique des plasmas. Un deuxième résultat marquant concerne la dérivation d'un modèle collisionel multi-échelle, pour le transport d'électrons relativistes dans la matière dense. Des processus importants sont mis en évidence pour la FCI, et une analogie est menée vis-à-vis des processus de transport collisionels connus en radiothérapie. Enfin, un modèle mésoscopique aux moments angulaires, avec fermeture entropique, a été dérivé et utilisé pour le dépôt de dose pour la radiothérapie. Des schémas numériques précis, d'ordre élevé, et robustes, ont été développé dans ce cadre.This manuscript is dedicated to the relativistic kinetic transport, under the influence of the magnetic field, identified as a barrier for the modeling and integrated simulations, in the frame of the Inertial Confinement Fusion (ICF). An important achievement concerns the development of a deterministic, reference code, 2Dx-3Dv, of Maxwell-Fokker-Planck-Landau type, that permits the treatment of distribution functions with large anisotropy degree. This work is at the interface between the numerical analysis, applied mathematics, and plasma physics. Another milestone result concerns the derivation of a multi-scale, collisional model, for the transport of relativistic electrons in dense matter. A set of processes is demonstrated to be of importance for ICF, and an analogy is conducted with respect to well-known collisional transport processes in radiotherapy. Finally, a mesoscopic angular moment model, with entropic closure, is derived and employed for radiotherapy dose computation. High order precise and robust numerical schemes are then developed in this framework

Modélisation et Simulation Numérique multi-échelle du transport cinétique électronique

This manuscript is dedicated to the relativistic kinetic transport, under the influence of the magnetic field, identified as a barrier for the modeling and integrated simulations, in the frame of the Inertial Confinement Fusion (ICF). An important achievement concerns the development of a deterministic, reference code, 2Dx-3Dv, of Maxwell-Fokker-Planck-Landau type, that permits the treatment of distribution functions with large anisotropy degree. This work is at the interface between the numerical analysis, applied mathematics, and plasma physics. Another milestone result concerns the derivation of a multi-scale, collisional model, for the transport of relativistic electrons in dense matter. A set of processes is demonstrated to be of importance for ICF, and an analogy is conducted with respect to well-known collisional transport processes in radiotherapy. Finally, a mesoscopic angular moment model, with entropic closure, is derived and employed for radiotherapy dose computation. High order precise and robust numerical schemes are then developed in this framework.Ce manuscrit est dédié au transport relativiste cinétique sous influence de champs magnétiques, identifié comme obstacle pour la modélisation et la simulation intégrée, dans le cadre de la Fusion par Confinement Inertiel (FCI). Une réalisation importante concerne le développement d'un code déterministe de référence, 2Dx-3Dv, de type Maxwell-Fokker-Planck-Landau, permettant la prise en compte de fonctions de distribution à large degré d'anisotropie. Ce travail se situe à l'interface de l'analyse numérique, des mathématiques appliquées, et de la physique des plasmas. Un deuxième résultat marquant concerne la dérivation d'un modèle collisionel multi-échelle, pour le transport d'électrons relativistes dans la matière dense. Des processus importants sont mis en évidence pour la FCI, et une analogie est menée vis-à-vis des processus de transport collisionels connus en radiothérapie. Enfin, un modèle mésoscopique aux moments angulaires, avec fermeture entropique, a été dérivé et utilisé pour le dépôt de dose pour la radiothérapie. Des schémas numériques précis, d'ordre élevé, et robustes, ont été développé dans ce cadre

Analysis of a High Order Finite Volume Scheme for the Vlasov-Poisson System

We propose a second order finite volume scheme to discretize the one-dimensional Vlasov-Poisson system with boundary conditions. For this problem, a rather general initial and boundary data lead to a unique solution with bounded variations but such a solution becomes discontinuous when the external voltage is large enough. We prove that the numerical approximation converges to the weak solution and show the efficiency of the scheme to simulate beam propagation with several particle species.Méthodes Numériques pour les Equations CinétiquesNumerical simulations and analysis of kinetic models - Applications to plasma physics and Nanotechnolog

Analytical stability study for a densification front in a Carbon/Carbon composite

International audienc

Numerical analysis of a Reynolds Stress Model for turbulent mixing: the one-dimensional case

A mixed hyperbolic-parabolic, non conservative, Reynolds Stress Model (RSM), is studied. It is based on an underlying set of Langevin equations, and allows to describe turbulent mixing, including transient demixing effects as well as incomplete mixing. Its mathematical structure is analysed, and specific regimes, related to acoustic-like, Riemann-type, or self-similar solutions, are identified. A second-order accurate numerical scheme is proposed in arbitrary curvilinear geometry. Its accuracy and convergence behaviour are tested by comparison with analytical solutions in the different regimes. The numerical scheme can be generalized to multi-dimensional configurations, with potentially cylindrical symmetry, on unstructured meshes

A nonlocal electron transport model in the diffusion scaling of hydrodynamics

International audienceWe analyze a model of nonlocal electron transport named P1-diffusion based on a spherical harmonic expansion in velocity space and a diffusion scaling, which makes it compatible with assumptions from magneto-hydrodynamics (MHD). An iterative, fully implicit (CFL-free, as defined by the Courant Friedrich Levy condition) and asymptotic preserving discretization is proposed, which necessitates the inversion of a possibly large number of—but small—linear systems. It is found accurate with respect to reference solutions from a Vlasov–Fokker–Planck–Maxwell code (based on a Polynomial expansion of order N, or PN expansion) on a series of tests, which are representative of the conduction zone in laser-created plasmas. Thereby, the present approach is a good candidate for being embedded in multi-D MHD codes

Diffusion limit of the simplified Langevin PDF model in weakly inhomogeneous turbulence

In this work, we discuss the modelling of transport in Langevin probability density function (PDF) models used to predict turbulent flows [1]. Our focus is on the diffusion limit of these models, i.e. when advection and dissipation are the only active physical processes. In this limit, we show that Langevin PDF models allow for an asymptotic expansion in terms of the ratio of the integral length to the mean gradient length. The main contribution of this expansion yields an evolution of the turbulent kinetic energy equivalent to that given by a k − ε model. In particular, the transport of kinetic energy is given by a gradient diffusion term. Interestingly, the identification between PDF and \hbox{$\overline{k}-\overline{\varepsilon}$} k − ε models raises a number of questions concerning the way turbulent transport is closed in PDF models. In order to validate the asymptotic solution, several numerical simulations are performed, with a Monte Carlo solver and also with a deterministic code