Cette thèse porte sur l'interaction entre turbulence et écoulement au bord du plasma de tokamak, et leur influence sur le confinement. La turbulence est la principale contribution au transport dans les machines de fusion magnétique, et un facteur limitant leur performance. Elle peut être stabilisée par les écoulements dans le plasma, via la décorrélation des cellules de convection par le cisaillement, et des couplages non-linéaires. La réduction localisée du transport turbulent par un écoulement cisaillé (barrière de transport) est souvent observée dans les expériences, et des régimes à confinement amélioré tels que le mode à Haut confinement sont obtenus sur de nombreuses machines. Les expériences tendent à montrer que l'écoulement moyen responsable de la barrière est gouverné par l'équilibre des forces, mais qu'il existe une dynamique complexe entre la turbulence, les écoulements zonaux et l'écoulement moyen pendant la phase de transition. Dans cette thèse, nous enrichissons un modèle fluide de turbulence du plasma de bord afin d'inclure la relaxation collisionelle de l'écoulement vers l'équilibre des forces. Nous montrons que la contribution des effets néoclassiques permet la formation spontanée d'une barrière de transport dans les simulations en forçage par un flux. Certains éléments dynamiques similaires à la transition L-H et au mode H sont recouvrés, tels que des relaxations de la barrière, ainsi que des oscillations du champ électrique lors de la formation de la barrière. Notre analyse montre que les écoulements zonaux causent une réduction temporaire de la turbulence via le couplage non-linéaire, ce qui permet l’établissement de la barrière. / The topic of this thesis is the interaction between turbulence and flows at the tokamak edge, and their influence on the confinement. Turbulence is the main contribution to the outward transport in magnetic fusion devices, and a strong limiting factor for their performance. It can be stabilised by flows, through shear-mediated decorrelation of convective cells, and through non-linear coupling. Strong shear flows causing a localised reduction of transport (transport barrier) are often observed in experiments, and several regimes of improved confinement such as the High-confinement mode are accessed routinely. There is a growing body of evidence from experiments showing that the mean flow responsible for the barrier is governed by force balance, while non-linear interplay between turbulence, turbulence-driven zonal-flows, and the mean flow occurs during the transition phase. In this thesis, we extend a fluid model for plasma edge turbulence to include collisional relaxation of flows towards force. We show that accounting for a contribution of neoclassical allows for the spontaneous formation of a transport barrier to occur in flux-driven simulation. Dynamical features reminiscent of the L-H transition and H-mode are recovered, such as relaxation-oscillations of the barrier and dithering of the radial electric field during the barrier formation. An analysis is carried out to identify the roles of zonal-flows and force balance during the transition, and it is found that in our simulations that zonal flows provide temporary quenching of the turbulence via non-linear coupling, allowing for the mean flow to grow and form the barrier.

Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is analysed as the weighted residual method. In particular the analysis focuses on the collocation aspect of the method. Using Monte Carlo experiments we demonstrate that SPH is highly sensitive to node disorder, especially in its symmetrised energy and momentum conserving form. This aspect of the method is related to low [Beta] MHD instabilities observed by other authors. A remedy in the form of the Weighted Differences Method is suggested, which addresses this problem to some extent, but at a cost of losing automatic conservation of energy and momentum. ¶ The Weighted Differences Method is used to simulate propagation of Alfven and magnetosonic wave fronts in [Beta] = 0 plasma, and the results are compared with data obtained with the NCSA Zeus3D code with the Method of Characteristics (MOC) module. ¶ SPH is then applied to two interesting astrophysical situations: accretion on to a white dwarf in a compact binary system, which results in a formation of an accretion disk, and gravitational collapse of a magnetised vortex. Both models are 3 dimensional. ¶ The accretion disk which forms in the binary star model is characterised by turbulent flow: the Karman vortex street is observed behind the stream-disk interaction region. The shock that forms at the point of stream-disk interaction is controlled by the means of particle merges, whereas Monaghan-Lattanzio artificial viscosity is used to simulate Smagorinsky closure. ¶ The evolution of the collapsing magnetised vortex ends up in the formation of an expanding ring in the symmetry plane of the system. We observe the presence of spiralling inward motion towards the centre of attraction. That final state compares favourably with the observed qualitative and quantitative characteristics of the circumnuclear disk in the Galactic Centre. That simulation has also been verified with the NCSA Zeus3D run. ¶ In conclusions we contrast the result of our Monte Carlo experiments with the results delivered by our production runs. We also compare SPH and Weighted Differences against the new generation of conservative finite differences methods, such as the Godunov method and the Piecewise Parabolic Method. We conclude that although SPH cannot match the accuracy and performance of those methods, it appears to have some advantage in simulation of rotating flows, which are of special interest to astrophysics.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les phénomènes physiques et chimiques se produisant dans un plasma de haute densité conçu pour la gravure sous­micrométrique de couches minces. Le plasma est produit dans le chlore par une onde électromagnétique de surface et peut être confiné par un champ magnétique statique uniforme. La flexibilité du réacteur en termes de conditions opératoires rend possible une étude paramétrique de l'influence du confinement magnétique sur les caractéristiques du plasma. Pour cela, nous avons examiné les propriétés du plasma au moyen de plusieurs méthodes de diagnostics comme les sondes électrostatiques, le photodétachement des ions négatifs par Jaser, la propagation d'ondes acoustiques ioniques et la spectroscopie d'émission optique. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l'influence des conditions opératoires sur les propriétés spatiales du plasma, en ce qui a trait aux caractéristiques électriques (électrons, ions positifs et négatifs) et chimiques (neutres réactifs). Dans un deuxième temps, nous avons examiné l'impact du rapport d'aspect du réacteur (i.e. rapport de la longueur du réacteur sur son rayon) tant sur les caractéristiques électriques que chimiques du plasma. Parallèlement à ces études expérimentales, nous avons développé un modèle fluide bidimensionnel, résolvant de manière auto cohérente les deux premiers moments de l'équation de Boltzmann et l'équation de Poisson. En utilisant une approche semi-implicite, nous avons pu conserver un temps de calcul assez faible et ainsi utiliser ce modèle pour l'étude d'un plasma de diffusion dans un gaz électropositif. Nous avons ainsi pu estimer la valeur du coefficient de diffusion perpendiculaire dans le cas d'un gaz électropositif soumis à un champ magnétique axial uniforme. Les résultats obtenus sont qualitativement en bon accord avec le coefficient de diffusion proposé par Liebermann et Lichtenberg. / The aim of this thesis is to achieve a better understanding of physical and chemical phenomena occurring in a high-density plasma designed for sub-micron etching of thin films. The plasma is produced in chlorine by means of an electromagnetic surface wave and it can be confined by a uniform static magnetic field. The flexibility offered by the reactor in terms of operating conditions makes possible a parametric study of the influence of the magnetic confinement on the plasma characteristics. Thus, we have examined the plasma properties by means of several diagnostics techniques, including electrostatic probes, laser photodetachment of negative ions, ion acoustic wave propagation and optical emission spectroscopy. First, we investigated the influence of the operating conditions on the spatial properties of the plasma; this includes electric characteristics ( electrons, positive and negative ions) as well as chemical characteristics (reactive neutrals). Second, we studied the impact of the reactor aspect ratio (i.e. reactor length/radius ratio) on both electrical and chemical characteristics. Together with these experimental studies, we have developed a bidimensionnal fluid model, by solving selfconsistently the first two moments of Bolzmann equation and Poisson's equation. Using a semi-implicit scheme, it was possible to maintain a short computation time and to use this model to investigate a diffusion plasma in an electropositive gas. We were thus able to estimate the value of the diffusion coefficient in the direction perpendicular to the magnetic field. The results thus obtained are in good qualitative agreement with the diffusion coefficient proposed by Liebermann and Lichtenberg.

L'étude des phénomènes turbulents se développant en sortie du propulseur de Hall est nécessaire pour pouvoir modéliser le transport anormal (par opposition au transport diffusif) des électrons à travers les lignes de champ magnétique. Les relations de dispersion de deux instabilités pouvant être responsables de ce transport ont été mesurées à des échelles millimétriques à l'aide du diagnostic de diffusion collective de la lumière. Ce travail de thèse s'attache à en donner une description aussi bien théorique qu'expérimentale, pierre à l'édifice de la compréhension du transport dans le propulseur. Une instabilité se propageant majoritairement dans la direction azimutale du propulseur y est caractérisée comme étant l'instabilité de dérive électronique ExB et un modèle analytique décrivant la fréquence expérimentale y est dérivé et validé. De plus, le manuscrit présente une méthode de déconvolution du signal de la diffusion collective de la fonction d'appareil pour ce mode. Une fois déconvoluées, les relations de dispersion expérimentales peuvent être ajustées par la fréquence du modèle analytique, ce qui permet de mesurer expérimentalement et de manière originale la température et la densité électronique dans le jet d'ions énergétiques du plasma du propulseur. Enfin, la seconde instabilité, se développant autour de la direction axiale du propulseur, est caractérisée comme l'instabilité double faisceau entre les ions simplement et doublement chargés du plasma / The study of turbulent phenomena that grow at the exit plane of the Hall thruster is required to modelize the anomalous transport (in contrast to the diffusion transport) of electrons across the magnetic field lines. The dispersion relations of two instabilities that can be responsible for this transport have been mesured at millimetric scales by mean of the collective light scattering diagnostic. The aim of the thesis is to describe them theoretically as well as experimentally, improving the understanding of the Hall thruster transport. In the thesis, an instability that propagates principally azimuthally is caracterized as the ExB electron drift instability and an analytical model that describes the experimental frequency is derived and validated. In addition, the manuscript presents an original method to unfold the signal of the collective scattering diagnostic from the instrumental function of this mode. Once corrected, the experimental dispersion relations can be adjusted by the frequency given by the analytical model, allowing to measure experimentally and in an original way the electron temperature and density in the energetic ion jet of the Hall thruster plasma. The second instability that is mainly propagating in the axial direction is caracterized as the two-stream instability between the simply and doubly charged ions of the plasma