Anisotropic fluxes and nonlocal interactions in MHD turbulence

We investigate the locality or nonlocality of the energy transfer and of the spectral interactions involved in the cascade for decaying magnetohydrodynamic (MHD) flows in the presence of a uniform magnetic field $\bf B$ at various intensities. The results are based on a detailed analysis of three-dimensional numerical flows at moderate Reynold numbers. The energy transfer functions, as well as the global and partial fluxes, are examined by means of different geometrical wavenumber shells. On the one hand, the transfer functions of the two conserved Els\"asser energies $E^+$ and $E^-$ are found local in both the directions parallel ($k_\|$-direction) and perpendicular ($k_\perp$-direction) to the magnetic guide-field, whatever the ${\bf B}$-strength. On the other hand, from the flux analysis, the interactions between the two counterpropagating Els\"asser waves become nonlocal. Indeed, as the ${\bf B}$-intensity is increased, local interactions are strongly decreased and the interactions with small $k_\|$ modes dominate the cascade. Most of the energy flux in the $k_\perp$-direction is due to modes in the plane at $k_\|=0$, while the weaker cascade in the $k_\|$-direction is due to the modes with $k_\|=1$. The stronger magnetized flows tends thus to get closer to the weak turbulence limit where the three-wave resonant interactions are dominating. Hence, the transition from the strong to the weak turbulence regime occurs by reducing the number of effective modes in the energy cascade.Comment: Submitted to PR

Dynamo regimes with a nonhelical forcing

11 pagesInternational audienceA three-dimensional numerical computation of magnetohydrodynamic dynamo behavior is described. The dynamo is mechanically forced with a driving term of the Taylor-Green type. The magnetic field development is followed from negligibly small levels to saturated values that occur at magnetic energies comparable to the kinetic energies. Although there is locally a nonzero helicity density, there is no overall integrated helicity in the system. Persistent oscillations are observed in the saturated state for not-too-large mechanical Reynolds numbers, oscillations in which the kinetic and magnetic energies vary out of phase but with no reversal of the magnetic field. The flow pattern exhibits considerable geometrical structure in this regime. As the Reynolds number is increased, the oscillations disappear and the energies become more nearly stationary, but retain some unsystematically fluctuating turbulent time dependence. The regular geometrical structure of the fields gives way to a more spatially disordered distribution. The injection and dissipation scales are identified, and the different components of energy transfer in Fourier space are analyzed, particularly in the context of clarifying the role played by different flow scales in the amplification of the magnetic field. We observe that small and large scales interact and contribute to the dynamo process

Étude de la dynamique des particules inertielles dans des écoulements aléatoires

Cette thèse porte sur la dynamique de particules inertielles dans des écoulements instationnaires. Qu'il s'agisse de gouttelettes d'eau dans les nuages chauds ou de poussière dans les disques circumstellaires, de telles impuretés se découplent de la dynamique de l'écoulement et se répartissent de façon hétérogène. La modélisation des interactions microphysiques entre particules nécessite alors de comprendre et de quantifier ce phénomène de concentration préférentielle. L'apparition de telles hétérogénéités s'explique par la présence simultanée de deux mécanismes. D'une part, l'inertie des particules les conduit par effet centrifuge à se détacher des tourbillons de l écoulement pour se concentrer dans les zones d'étirement. D'autre part, la dynamique des particules étant dissipative, celles-ci se concentrent aux temps longs sur un attracteur fractal. Ces effets sont généralement étudiés de façon séparée en considérant soit des écoulements stationnaires, soit des écoulements sans corrélation temporelle et donc dépourvus de structures. J'introduis dans cette thèse un modèle d'écoulement aléatoire ayant un temps de corrélation fini (mesuré par un nombre de Kubo) et qui couvre ces deux cas. Cette approche me permet d'identifier et d'étudier de façon analytique différents régimes de la dynamique des particules en fonction de ce paramètre ainsi que du nombre de Stokes mesurant l'inertie des particules. La richesse de ce modèle permet de mettre en évidence la complexité de l'interférence entre les deux mécanismes conduisant à des concentrations préférentielles.NICE-BU Sciences (060882101) / SudocSudocFranceF

Modélisation de la turbulence hydrodynamique et magnétohydrodynamique

NICE-BU Sciences (060882101) / SudocSudocFranceF

Ondes et turbulence dans les écoulements MHD anisotropes (applications solaires)

Je présente une étude théorique, phénoménologique et numérique dédiée aux plasmas astrophysiques anisotropes. L approximation fluide de la magnétohydrodynamique (MHD) incompressible, en présence d un champ magnétique ambiant B0, est utilisée en régime de turbulence. Afin de caractériser la transition entre la turbulence MHD forte et faible (ou turbulence d ondes), mes travaux numériques portent sur le développement de l anisotropie, sa signature spectrale et spatiale, ainsi que son influence sur les transferts d énergie dans des écoulements MHD tridimensionnels en décroissance libre. Cette analyse est faite en fonction de l intensité du champ B0 est fort, de nouvelles lois temporelles sont dérivées pour l énergie des ondes d Alfvén de cisaillement et celle des pseudo-ondes, dans la limite asymptotique du régime de turbulence d ondes (à fort B0). Ces prédictions sont ensuite confrontées à l intégration numérique directe des équations MHD et à celle des équations cinétiques d ondes. Enfin, je propose un modèle analytique de chauffage coronal par turbulence d ondes d Alfvén pour des structures fortement anisotropes, telles que les boucles coronales ou les lignes ouvertes de champ magnétique. Les taux de chauffage obtenus sont ensuite comparés avec les prédictions observationnelles de la couronne solaire.I present a theoretical, phenomenological and numerical study dedicated to anisotropic astrophysical plasmas. The incompressible magnetohydrodynamic (MHD) fluid approximation, in presence of an ambient magnetic field B0, is used in the regime of turbulence. In order to characterize the transition between strong and weak (or wave) MHD turbulence, my numerical work is focused on the development of anisotropy, its spectral and spatial signatures, as well as its influence on the energetic transfers in freely decaying tri-dimensional MHD flows. This analysis is performed according to the intensity of the applied B0 field. The energetic decay decreasing as the B0 intensity is increasing, new temporal laws are derived for the shear- and pseudo-Alfvén wave energies in the asymptotic limit of wave turbulence (strong B0). These predictions are then tested against direct numerical simulation of the MHD equations and of the wave kinetic equations. Finally, I propose an analytical model of solar coronal heating by Alfvén wave turbulence for strongly anisotropic structures, such as coronal loops or open magnetic field lines. The solar coronal heating rates found are then compared with the observational predictions.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Development of anisotropy in incompressible magnetohydrodynamic turbulence

Physical Review E, 78, p. 66301, http://dx.doi.org./10.1103/PhysRevE.78.066301International audienc

Spectral modeling of turbulent flows and the role of helicity

Physical Review E, 77, p. 46303, http://dx.doi.org./10.1103/PhysRevE.77.046303International audienc

Topological changes of the photospheric magnetic field inside active regions: A prelude to flares?

International audienc

Linear and non-linear features of the Taylor-Green dynamo

International audienceThe Taylor-Green flow is a model flow sharing many properties with the von Kármán flow, in which experimental turbulent dynamo action has recently been achieved. We present here recent numerical results on the Taylor-Green dynamo instability, both in the linear and non-linear regime. Various properties are considered, such as the influence of turbulence, the energy transfer between different scales, the spatial structure of the neutral mode, the nature of the bifurcation and the saturation mechanisms. We also discuss the role of the velocity fluctuations on the dynamo onset