La gyrocinétique est un modèle clef pour la microturbulence en physique des plasmas, couramment utilisé pour les plasmas de fusion ou pour la turbulence plasma de petite échelle en astrophysique, par exemple. Ce modèle présente encore plusieurs difficultés, qui pourraient amener à reconsidérer ses équations. Le présent rapport de thèse clarifie trois d'entre elles. Tout d'abord, l'une de des coordonnées était source d'interrogations, tant d'un point de vue physique que d'un point de vue mathématique ; une coordonnée adéquate a été introduite, qui dissipe les difficultés et explique les structures intrinsèques sous-jacentes. Ensuite, le changement de coordonnées perturbatif de la gyrocinétique n'était implémenté qu'aux ordres les plus bas ; des relations de récurrence explicites ont été obtenues pour aller à tous les ordres dans le développement. Enfin, le couplage entre le plasma et le champ électromagnétique n'était pas introduit de manière complètement satisfaisante ; en utilisant la structure hamiltonienne de la dynamique, il a été implémenté d'un façon plus adaptée, avec d'importantes conséquences sur les équations gyrocinétiques, en particulier concernant leur structure hamiltonienne. Pour aborder ces trois principaux points, plusieurs autres résultats sont obtenus, par exemple sur l'origine de l'invariant adiabatique centre-guide, sur une transformation centre-guide minimale très efficace, ou sur un modèle hamiltonien intermédiaire entre Vlasov-Maxwell et la gyrocinétique, dont les caractéristiques de la densité de Vlasov contiennent à la fois la dynamique lente centre-guide et la dynamique rapide du gyro-angle. D'autre part, diverses méthodes de réduction sont utilisées, développées ou introduites, par exemple une transformée des équations du mouvement, une méthode de relèvement pour transférer les réductions de la dynamique des particules à la dynamique des champs correspondante, ou une méthode de troncature reliée à la fois à la théorie des contraintes de Dirac et à une projection sur une sous-algèbre. Outre la gyrocinétique, cela permet de clarifier d'autres réductions hamiltoniennes en physique des plasmas, par exemple pour une dynamique incompressible ou électrostatique, pour la magnétohydrodynamique, ou pour des fermetures fluides incluant des moments de la densité de Vlasov d'ordre deux.

Le confinement magnétique dans les tokamaks est à l'heure actuelle la voie la plus avancée pour produire de l'énergie par fusion thermonucléaire. Des études théoriques et expérimentales ont montré que la génération de rotation permet d'en augmenter les performances par la réduction du transport turbulent à l'œuvre dans les plasmas de tokamaks. L'influence de la rotation sur les flux turbulents de chaleur et de particules ainsi que le transport du moment angulaire sont étudiés par simulation numérique dans le cadre du code gyro-cinétique, quasi-linéaire QuaLiKiz. A cette occasion, le code QuaLiKiz est modifié pour prendre en compte la rotation du plasma et calculer le flux de moment angulaire. Il est montré que le cadre de travail de QuaLiKiz permet de calculer le flux de moment angulaire y compris le stress résiduel induit par le cisaillement du champ électrique radial ainsi que l'effet de la rotation sur les flux de chaleur et de particules. Les approximations majeures du formalisme utilisé, en particulier la représentation de ballonnement à son ordre le plus bas et l'utilisation de fonctions propres analytiques calculées dans la limite hydrodynamiques, sont analysées en détail et leur validité vérifiée. La construction des flux quasi-linéaires est ensuite détaillée et le flux quasi-linéaire de moment angulaire dérivé. Les différentes contributions au flux turbulent de moment angulaire sont étudiées et comparées avec succès à la fois aux données de simulations gyro-cinétiques non-linéaires ainsi qu'aux données expérimentales.

Le transport anormal de l’energie observé en régime turbulent joue un rôle majeur dans les propriétés de stabilite des plasmas de fusion par confinement magnétique, dans des machines comme ITER. En effet, la turbulence plasma est intimement corrélée au temps de confinement de l’energie, un point clé des recherches en fusion thermonucléaire.<p>Du point de vue théorique, la turbulence plasma est décrite par les équations gyrocinétiques, un ensemble d équations aux dérivées partielles non linéaires couplées. Par suite des très différentes échelles spatiales mises en jeu dans des conditions expérimentales réelles, une simulation numérique directe et complète (DNS) de la turbulence gyrocinétique est totalement hors de portée des plus puissants calculateurs actuels, de sorte que démontrer la faisabilité d’une alternative permettant de réduire l’effort numérique est primordiale. En particulier, les simulations de grandes échelles (”Large-Eddy Simulations” - LES) constituent un candidat pertinent pour permettre une telle r éduction. Les techniques LES ont initialement été développées pour les simulations de fluides turbulents à haut nombre de Reynolds. Dans ces simulations, les plus grandes échelles sont explicitement simulées numériquement, alors que l’influence des plus petites est prise en compte via un modèle implémenté dans le code.<p>Cette thèse présente les premiers développements de techniques LES dans le cadre des équations gyrocinétiques (GyroLES). La modélisation des plus petites échelles est basée sur des bilans d’énergie libre. En effet, l’energie libre joue un rôle important dans la théorie gyrocinétique car elle en est un invariant non lin éaire bien connu. Il est démontré que sa dynamique partage de nombreuses propriétés avec le transfert d’energie dans la turbulence fluide. En particulier, il est montré l’existence d’une cascade d énergie libre, fortement locale et dirigée des grandes échelles vers les petites, dans le plan perpendiculaire â celui du champ magnétique ambiant.<p>La technique GyroLES est aujourd’hui implantée dans le code GENE et a été testée avec succès pour les instabilités de gradient de température ionique (ITG), connues pour jouer un rôle crucial dans la micro-turbulence gyrocinétique. A l’aide des GyroLES, le spectre du flux de chaleur obtenu dans des simulations à très hautes résolutions est correctement reproduit, et ce avec un gain d’un facteur 20 en termes de coût numérique. Pour ces raisons, les simulations gyrocinétiques GyroLES sont potentiellement un excellent candidat pour réduire l’effort numérique des codes gyrocinétiques actuels. <p>/ Anomalous transport due to plasma micro-turbulence is known to play an important role in confinement properties of magnetically confined fusion plasma devices such as ITER. Indeed, plasma turbulence is strongly connected to the energy confinement time, a key issue in thermonuclear fusion research. Plasma turbulence is described by the gyrokinetic equations, a set of nonlinear partial differential equations. Due to the various scales characterizing the turbulent fluctuations in realistic experimental conditions, Direct Numerical Simulations (DNS) of gyrokinetic turbulence remain close to the computational limit of current supercomputers, so that any alternative is welcome to decrease the numerical effort. In particular, Large-Eddy Simulations (LES) are a good candidate for such a decrease. LES techniques have been devised for simulating turbulent fluids at high Reynolds number. In these simulations, the large scales are computed explicitly while the influence of the smallest scales is modeled.<p>In this thesis, we present for the first time the development of the LES for gyrokinetics (GyroLES). The modeling of the smallest scales is based on free energy diagnostics. Indeed, free energy plays an important role in gyrokinetic theory, since it is known to be a nonlinear invariant. It is shown that its dynamics share many properties with the energy transfer in fluid turbulence. In particular, one finds a (strongly) local, forward (from large to small scales) cascade of free energy in the plane perpendicular to the background magnetic field.<p>The GyroLES technique is implemented in the gyrokinetic code Gene and successfully tested for the ion temperature gradient instability (ITG), since ITG is suspected to play a crucial role in gyrokinetic micro-turbulence. Employing GyroLES, the heat flux spectra obtained from highly resolved direct numerical simulations are recovered. It is shown that the gain of GyroLES runs is 20 in terms of computational time. For this reason, Gyrokinetic Large Eddy Simulations can be considered a serious candidate to reduce the numerical cost of gyrokinetic simulations. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse propose et analyse des méthodes numériques pour la résolution de l'équation de Vlasov. Cette équation modélise l'évolution d'une espèce de particules chargées sous l'effet d'un champ électromagnétique. La première partie est consacrée à une analyse mathématique de schémas semi-Lagrangiens résolvant l'équation de transport linéaire qui constituent la brique de base des méthodes de splitting directionnel.Des méthodes de résolution de l'équation de Vlasov couplée à l'équation de Poisson, dans le cas où uniquement le champ électrique est considéré, sont optimisées dans la seconde partie. Il s'agit d'optimisation en temps de calcul par l'utilisation de cartes graphiques (GPU) et l'utilisation d'un maillage non homogène.Dans la troisième et dernière partie, nous étudierons une méthode numérique de calcul de l'opérateur de gyromoyenne intervenant dans la théorie gyrocinétique que nous appliquerons à l'équation de quasi-neutralité. / This thesis proposes and analyzes numerical methods for solving the Vlasov equation. This equation models the evolution of a species of charged particles under the effet of an electromagnetic field. The first part is devoted to a mathematical analysis of semi-Lagrangian schemes solving the linear transport equation which is the basic building block of directional splitting methods.Solving methods for the Vlasov equation coupled to the Poisson equation, in the case where only the electric field is considered, are optimized in the second part. This optimization relates to the time of calculation by the use of Graphics Processing Unit (GPU) and the use of an inhomogeneous mesh.In the third and final part, we study a numerical method for calculating the gyroaverage operator involved in gyrokinetic theory. This method will be applied to solve the quasi-neutrality equation.

La gyrocinétique est un modèle clef pour la microturbulence en physique des plasmas. Elle présente encore plusieurs difficultés, qui pourraient invalider ses équations. Ce rapport de thèse clarifie trois d'entre elles. Tout d'abord, une de des coordonnées causait des soucis, d'un point de vue tant physique que mathématique ; une coordonnée adéquate est introduite, qui dissipe les difficultés et explique les structures intrinsèques sous-jacentes. Ensuite, des relations de récurrence explicites sont obtenues pour tous les ordres du développement perturbatif. Enfin, en utilisant la structure hamiltonienne de la dynamique, le couplage plasma-champ électromagnétique est implémenté d'un façon plus adaptée, avec d'importantes conséquences sur les équations gyrocinétiques.Plusieurs autres résultats sont obtenus, e.g. sur l'origine de l'invariant adiabatique centre-guide, sur une transformation centre-guide minimale très efficace, ou sur un modèle hamiltonien intermédiaire entre Vlasov-Maxwell et la gyrocinétique, dont les caractéristiques de Vlasov contiennent à la fois la dynamique lente centre-guide et la dynamique rapide du gyro-angle. Diverses méthodes de réduction sont utilisées, développées ou introduites, e.g. une transformée de Lie du mouvement, un relèvement transférant les réductions de la dynamique des particules à la dynamique des champs, ou une troncature reliée à la fois à la théorie des contraintes de Dirac et à une projection sur une sous-algèbre. Outre la gyrocinétique, cela clarifie d'autres réductions hamiltoniennes en plasmas, e.g. pour une dynamique incompressible ou électrostatique, pour la MHD, ou pour des fermetures fluides avec tenseur de pression. / Gyrokinetics is a key model for plasma micro-turbulence. It still suffers from several issues, which could imply to reconsider the equations. This thesis dissertation clarifies three of them. First, one of the coordinates caused questions, both from a physical and from a mathematical point of view; a suitable constrained coordinate is introduced, which removes the issues from the theory and explains the intrinsic structures underlying the questions. Second, explicit induction relations are obtained to go arbitrary order in the perturbative expansion. Third, using the Hamiltonian structure of the dynamics, the coupling between the plasma and the electromagnetic field is implemented in a more appropriate way, with strong consequences on the gyrokinetic equations. Several other results are obtained, for instance about the origin of the guiding-center adiabatic invariant, about a very efficient minimal guiding-center transformation, or about an intermediate Hamiltonian model between Vlasov-Maxwell and gyrokinetics, where the characteristics include both the slow guiding-center dynamics and the fast gyro-angle dynamics. In addition, various reduction methods are used, introduced or developed, e.g. a Lie-transform of the equations of motion, a litfing method to transfer particle reductions to the corresponding Hamiltonian field dynamics, or a truncation method related both to Dirac's theory of constraints and to projections onto Lie-subalgebras. Besides gyrokinetics, this is useful to clarify other Hamiltonian reductions in plasma physics, e.g. for incompressible or electrostatic dynamics, for magnetohydrodynamics, or for fluid closures including moments of order two.