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Cette thèse est dédiée à l'étude d'ondes non linéaires dans des écoulements en rotation. Dans une première partie, je me suis intéressé aux ondes de Rossby apparaissant par instabilités de thermoconvection dans une coquille sphérique en rotation représentant un modèle simplifié de noyau planétaire tellurique, et ce pour deux types de forçage: un chauffage interne correspondant à une activité radioactive du noyau et un chauffage différentiel lié à la différence de température entre les frontières interne et externe. Selon le théorème de Proudman-Taylor, l'écoulement possède une faible dépendance en la coordonnée axiale à cause de la rotation rapide. Cela permet de simplifier les modèles 3D en des modèles quasi géostrophiques 2D reposant sur une intégration axiale. Cette thèse présente la première comparaison systématique entre modèles 2D et 3D (Simitev, U-Glasgow) concernant des ondes de Rossby faiblement non linéaires. En 2D l'équation de Landau régissant l'amplitude de l'onde critique est calculée; l'amplitude de la convection et celle des écoulements zonaux ainsi prédites se comparent assez bien aux résultats 3D. L'existence d'une bifurcation sous-critique est établie à très bas nombre d'Ekman en chauffage interne et en chauffage différentiel, à condition dans ce dernier cas que le nombre de Prandtl soit petit. La seconde partie est une étude expérimentale de l'écoulement d'eau et de ses premières instabilités dans un canal annulaire creusé dans un plateau éventuellement en rotation surmonté d'un couvercle tournant. Trois cas sont étudiés: le cisaillement pur correspondant à la rotation du couvercle seul, la corotation rapide et la contrarotation pure. Le seuil d'instabilité détecté par mesures globales (visualisations par caméra vidéo) et locales par Vélocimétrie Laser Doppler se caractérise par des ondes spiralées. Dans le cas de la contrarotation pure, des structures localisées dans l'espace-temps peuvent coexister avec les ondes. Une comparaison est effectuée avec des calculs numériques (Serre, CNRS-Marseille). Un accord relativement bon est obtenu pour l'écoulement de base (vitesse azimutale) et la première instabilité (nombre de Reynolds, nombre d'onde et fréquence angulaire critiques) / A first part is devoted to the study of the Rossby waves that appear in a rotating spherical shell representing the core of a terrestrial planet by thermal instabilities for two heating types. Internal heating is driven by radioactive sources and differential heating is driven by a difference of temperature between the internal and external frontiers. According to the Proudman-Taylor theorem, the flow depends only weakly on the axial coordinate because of the high rotation rate. Thus the 3D models can be simplified into quasi-geostrophic 2D models \textit{via} an axial integration. I present the first systematic comparison between 2D and 3D models (Simitev, U-Glasgow) for weakly nonlinear Rossby waves. In 2D the Landau equation that controls the amplitude of the critical wave is calculated. Predicted convection' amplitude and zonal flows agree rather well with the 3D results. The existence of a subcritical bifurcation is established at very low Ekman numbers with internal and differential heating; in this latter case, the Prandtl number also has to be small for the bifurcation to be subcritical. The second part is an experimental study of water flows and its first instabilities in an annular channel digged in a plate which may rotate, and which is sheared by a rotating lid. Three cases are studied: a pure shear where only the lid turns, a rapid corotation and a pure contrarotation. The onset of instability is studied with global measurements (using a video camera) and local ones (Laser Doppler Anemometry) and is characterized by spiralling waves. In the case of contrarotation, patterns localized in space and time may coexist with the waves. The comparison of these results with numerical ones (Serre, CNRS-Marseille) is done and shows a rather good agreement for the basic azimutal flow and the first instability (critical Reynolds number, wavenumber and angular frequency)

Dans cette thèse, nous étudions l’effet de la turbulence en rotation sur l’instabilité dynamo. Nous étudions les différentes limites de la turbulence en rotation numériquement et théoriquement. D’abord, nous avons considéré l’effet dynamo engendré par les écoulements quasi-bidimensionnel (un écoulement avec trois composantes de vitesse qui dépendent de deux directions), qui modélise la limite de rotation très rapide. Nous avons étudié l’amplitude de saturation du champ magnétique en fonction du nombre de Prandt magnétique pour ce type d’écoulement. Un modèle théorique est développé et comparé avec les résultats numériques. Nous avons aussi regardé l’effet d’une vitesse bruitée sur le taux de croissance des différents moments du champ magnétique. Nous avons étudié l’écoulement 3D en rotation globale pour différents régimes du paramètre de contrôle. Pour l’écoulement hydrodynamique, nous avons étudié la transition vers une cascade inverse et les différents types de saturation de la cascade inverse. Nous avons regardé l’instabilité dynamo de ces écoulements. Nous avons montré que la rotation modifie le mode le plus instable et dans certains cas peut réduire le seuil de l’instabilité dynamo. / In this thesis, we study the effect of rotating turbulent flows on the dynamo instability. We study the different limits of rotating turbulence using numerical simulations and theoretical tools. We first look at the dynamo instability driven by quasi-twodimensional flows (flows with three components varying along two directions), which models the limit of very fast rotation. We look at the saturation amplitude of the magnetic field as a function of the magnetic Prandtl number for such flows. A theoretical model for the dynamo instability is later developed and compared with the numerical results. We also study the effect of a fluctuating velocity field on the growth rate of different moments of the magnetic field. The three dimensional rotating flow is then studied for different range of parameters. For the hydrodynamic problem, we study the transition to an inverse cascade and the different saturation mechanism of the inverse cascade. Later the dynamoinstability driven by such flows is investigated. We show that the effect of rotation modifies the most unstable mode and in some cases can reduce the dynamo threshold.

Le contrôle du transport turbulent est l'une des clés pour l'amélioration du temps de confinement nécessaire à la réalisation de la fusion thermonucléaire contrôlée. La description de la turbulence cinétique du plasma est un problème à 3 coordonnées spatiales et 3 coordonnées en vitesse. La théorie comme la simulation pour un problème de si haute dimensionnalité sont très difficiles, et des modèles réduits sont nécessaires pour comprendre la turbulence dans les Tokamaks. La technique largement utilisée est de faire moyenner le mouvement cyclotron, qui est beaucoup plus rapide que le phénomène de turbulence. Une telle réduction permet de simplifier le problème à trois coordonnées spatiales des centres-guides des particules, une vitesse parallèle ou énergie et une vitesse perpendiculaire apparaissant comme l'invariant adiabatique. La description gyrocinétique non linéaire requiert des simulations numériques de haute performance massivement parallèles. Toute la difficulté est due aux termes non linéaires (crochets de Poisson) qui décrivent les interactions multi-échelles, ce qui constitue un défi tant pour la théorie que pour la simulation. Toute approche réduite, basée sur des hypothèses bien contrôlées, est donc intéressante à développer.Sur la base de cette ambition, cette thèse concerne la turbulence des particules piégées dans le plasma magnétisé. C'est un système 4D, obtenu après avoir fait la moyenne de la fonction de distribution des particules sur les mouvements cyclotron et de rebond, ce qui peut être considéré comme une forme réduite de la théorie gyrocinétique standard. Nous l'avons appelé "bounce averaged gyrokinetics" pendant ce travail. Même si cette description est grandement réduite par rapport à la théorie gyrocinétique, la simulation directe non-linéaire reste un challenge.Une description des termes non linéaires en coordonnées polaires est choisie, avec une grille logarithmique en norme du vecteur d'onde, tandis que les angles sont discrétisés sur une grille régulière. L'utilisation d'une grille logarithmique permet de prendre en compte une large gamme de vecteurs d'ondes, donc la physique à très petite échelle. De manière analogue aux modèles en couches en turbulence fluide et afin de simplifier le système, seules les interactions entre couches voisines sont considérées.Dans un premier temps, l'étude du système linéaire est présentée, en particulier les seuils des paramètres et l'instabilité linéaire permettant de retrouver la forte anisotropie des taux de croissance des modes d'ions piégés (ou TIM) et des modes d'électrons piégés (ou TEM). Ces études permettent également de valider les codes numériques non-linéaires vis-à-vis d'un solveur aux valeurs propres développé indépendamment.Dans un second temps, l'hypothèse isotrope pour les termes non linéaires est utilisée. Ainsi il n'y a pas d'information de phase exacte pour de tels modèles en couches 1D, ce qui laisse un paramètre libre dans les coefficients d'interaction. Une loi de puissance originale est mise en évidence, qui n'est pas affectée par la valeur du paramètre libre, mesurant l'intensité des effets non-linéaires relativement aux termes linéaires.À partir de la simulation du modèle isotrope, l'information de phase apparaît très importante. Puisque l'instabilité linéaire est anisotrope pour la fusion, la simulation du modèle anisotrope est donc réalisée dans un troisième temps. Le système résolu numériquement est réduit à une espèce cinétique, en supposant que les autres espèces sont adiabatiques. Deux systèmes différents peuvent ainsi être étudiés: ions cinétiques + électrons adiabatiques et électrons cinétiques + ions adiabatiques. Des spectres différents sont observés dans chacun de ces deux cas, et la validité de l'hypothèse adiabatique est discutée pour chaque espèce, avec pour base de comparaison une simulation cinétique à deux espèces. / Turbulent transport is one of the keys to improve the energy confinement time required for thermonuclear fusion reactors. The description of the kinetic turbulence of the plasma is a problem with 3 spatial coordinates and 3 velocity coordinates. Both theory and simulation of a problem of such high dimensionality are very difficult, and reduced models are helpfull to understand turbulence in Tokamaks. A widely used technique consists into averaging the cyclotron motion, which is much faster than the turbulence time scale. Such a reduction makes it possible to simplify the problem to three spatial coordinates of the particle guide centers, a parallel velocity or energy, and a perpendicular velocity appearing as the adiabatic invariant. Nonlinear gyrokinetic description requires massively parallel high performance numerical simulations. The difficulty lies in the non-linear terms (Poisson hooks) that describe multi-scale interactions, which is a challenge for both theory and simulation. Any reduced approach, based on well-controlled hypotheses, is therefore interesting to develop.On the basis of this ambition, this thesis concerns the turbulence of particles trapped in magnetized plasma. It is a 4D system, obtained after averaging the particle distribution function on cyclotron and bounce motions, which can be considered as a reduced form of standard gyrokinetic theory. We called it "bounce averaged gyrokinetics" during this work. Even if this description is greatly reduced compared to the gyrokinetic theory, nonlinear direct simulation remains a challenge.A description of the nonlinear polar coordinate terms is chosen, with a logarithmic grid along the norm of the wave vector, while the angles are discretized on a regular grid. The use of a logarithmic grid makes it possible to take into account a wide range of wave vectors, so physics on a very small scale. In a similar way to shell models for fluid turbulence, and in order to simplify the system, only the interactions between neighboring shells are considered.In a first step, the study of the linear system is presented, in particular the paraetric dependence of the instability thresholds and the linear growth rate, allowing to recover the strong anisotropy of the growth rates of the trapped ion modes (or TIM) and the modes of trapped electrons (or TEM). These studies also make it possible to validate the non-linear numerical codes with respect to an independently developer eigenvalue solver.In a second step, the isotropic hypothesis for nonlinear terms is used. Thus, there is no exact phase information for such 1D layer models, which leaves with a free parameter in the interaction coefficients. An original power law is evidenced, which is unaffected by the value of the free parameter, measuring the intensity of the nonlinear effects relative to the linear terms.From the simulation of the isotropic model, the phase information appears very important. Since the linear instability is anisotropic for the fusion, the simulation of the anisotropic model is thus carried out in a third time. The numerically resolved system is reduced to a kinetic species, assuming that the other species are adiabatic. Two different systems can thus be studied: kinetic ions + adiabatic electrons and kinetic electrons + adiabatic ions. Different spectra are observed in each of these two cases, and the validity of the adiabatic hypothesis is discussed for each species, based on a kinetic simulation with two species.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第19475号 / 理博第4135号 / 新制||理||1595(附属図書館) / 32511 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)講師 市川 正敏, 教授 佐々 真一, 教授 山本 潤 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第24739号 / 情博第827号 / 新制||情||139(附属図書館) / 京都大学大学院情報学研究科先端数理科学専攻 / (主査)教授 青柳 富誌生, 教授 田口 智清, 准教授 寺前 順之介 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Informatics / Kyoto University / DGAM

Les interactions gravitationnelles et électrostatiques sont deux exemples fondamentaux de systèmes en interaction de longue portée. Les propriétés d'équilibre de modèles simples en interaction de longue portée sont bien comprises et révèlent des comportemens exotiques: capacité spécifique négative et inéquivalence des ensembles statistiques par exemple. La compréhension de l'évolution dynamique dans le cas de systèmes en interaction de longue portée représente encore actuellement un défi théorique. Des modèles simples présentent des propriétés telles que des transitions de phase hors d'équilibre ou des états quasi-stationnaires. Le but de la présente thèse est d'étudier les propriétés dynamiques de systèmes en interaction de longue portée pour des modèles à une dimension. La description cinétique adéquate est donnée par l'équation de Vlasov. Une théorie statistique proposée par D. Lynden-Bell est appropriée pour prédire dans certaines situations l'aboutissement de la dynamique. Un outil de simulation pour l'équation de Vlasov complète cette approche. Une étude détaillée de la transition de phase dans le Laser à Electrons Libres est présentée et la transition est analysée à l'aide de la théorie de Lynden-Bell. Ensuite, la présence d'étirement et de repliement est étudiée dans le modèle Hamiltonian Mean-Field en analogie avec la dynamique des fluides. Enfin, un système de pendules découplés dont les états asymptotiques sont similaires à ceux du modèle Hamiltonian Mean-Field est introduit. Son évolution asymptotique est prédite par la théorie de Lynden-Bell et par une approche exacte. Ce système présente une évolution initiale rapide similaire à la relaxation violente présente dans des modèles plus compliqués. De plus, une transition de phase hors d'équilibre est trouvée si une condition d'auto-consistence est imposée. En résumé, la présente thèse comporte des résultats originaux liés à la présence d'états quasi-stationnaires et de transitions de phase hors d'équilibre dans des modèles unidimensionnels en interaction de longue portée. Les résultats concernant le Laser à Electrons Libres offrent une perspective de réalisation expérimentale des phénomènes décrits dans cette thèse. / Gravitational and electrostatic interactions are fundamental examples of systems with long-range interactions. Equilibrium properties of simple models with long-range interactions are well understood and exhibit exotic behaviors: negative specific heat and inequivalence of statistical ensembles for instance. The understanding of the dynamical evolution in the case of long-range interacting systems still represents a theoretical challenge. Phenomena such as out-of-equilibrium phase transitions or quasi-stationary states have been found even in simple models. The purpose of the present thesis is to investigate the dynamical properties of systems with long-range interactions, specializing on one-dimensional models. The appropriate kinetic description for these systems is the Vlasov equation. A statistical theory devised by D. Lynden-Bell is adequate to predict in some situations the outcome of the dynamics. A complementary numerical simulation tool for the Vlasov equation is developed. A detailed study of the out-of-equilibrium phase transition occuring in the Free-Electron Laser is performed and the transition is analyzed with the help of Lynden-Bell's theory. Then, the presence of stretching and folding in phase space for the Hamiltonian Mean-Field model is studied and quantified from the point of view of fluid dynamics. Finally, a system of uncoupled pendula for which the asymptotic states are similar to the ones of the Hamiltonian Mean-Field model is introduced. Its asymptotic evolution is predicted via both Lynden-Bell's theory and an exact computation. This system displays a fast initial evolution similar to the violent relaxation found for interacting systems. Moreover, an out-of-equilibrium phase transition is found if one imposes a self-consistent condition on the system. In summary, the present thesis discusses original results related to the occurence of quasi-stationary states and out-of-equilibrium phase transitions in 1D models with long-range interaction. The findings regarding the Free-Electron Laser are of importance in the perspective of experimental realizations of the aforementioned phenomena.

Probing nonequilibrium dynamics in a trapped, inhomogeneous atomic quantum gas can be a challenging task because coexisting mass transport and spreading of quantum correlations often make the problem intractable. By removing density inhomogeneity in an atomic quantum gas and employing local control of chemical potential as well as interaction parameters, it is possible to perform quasi-particle control, initiate and probe collective quantum dynamics without or with a controlled mass flow. We report our experimental results toward quasi-particle control and nonequilibrium dynamics in a homogeneous two-dimensional quantum gas.

Cette thèse traite de la modélisation de la croissance et de la dissolution de cristaux confinés. Nous nous concentrons sur la dynamique dans les contacts lubrifiés (ou hydrophiles) et dérivons un modèle de continu de couche mince prenant en compte la diffusion, la cinétique de surface, l’hydrodynamique, la tension de surface et les interactions avec le substrat (pression de disjonction). Premièrement, nous étudions la dissolution induite par une charge extérieure (dissolution sous contrainte). Nous trouvons que la forme fonctionnelle de la pression de disjonction -finie ou divergente au contact- est cruciale dans la détermination des taux de dissolution et des morphologies stationnaires. Ces formes conduisent respectivement à des taux de dissolution dépendant ou indépendants de la charge, et à des profils de surface plats ou pointus. Deuxièmement, nous avons considéré la croissance des cristaux à proximité d’un mur plat. Nous avons constaté qu’une cavité apparaît sur la surface cristalline confinée. Nous obtenons un diagramme de morphologie hors équilibre en accord avec les observations expérimentales. En traversant la ligne de transition, une cavité peut apparaître de manière continue ou discontinue en fonction de la forme de la pression de disjonction (répulsive ou attractive). Pour les épaisseurs de film nanométriques, la viscosité peut entraver la formation de la cavité. Enfin, nous étudions la force de cristallisation exercée par un cristal croissant entre deux parois planes. Nous soulignons l’importance d’une définition précise de l’aire de contact pour définir la pression d’équilibre thermodynamique. Pendant la croissance, la ligne triple subit une transition cinétique dépendant uniquement du rapport entre: la constante de diffusion, et le produit de la constante cinétique de surface et de la distance entre les murs. Après cette transition, la force de cristallisation diminue jusqu’à s’annuler, et un film macroscopique se forme / This thesis discusses the modeling of growth and dissolution of confined crystals. We focus on the dynamics within lubricated (or hydrophilic) contacts and derive a thin film continuum model accounting for diffusion, surface kinetics, hydrodynamics, surface tension and interactions with the substrate (disjoinining pressure). First, we study dissolution induced by an external load (pressure solution). We find the functional form of the disjoining pressure -finite or diverging at contact- to be crucial in determining steady state dissolution rates and morphologies. These forms respectively lead to load-dependent or load-independent dissolution rates, and to flat or pointy surface profiles.Second, we considered crystal growth in the vicinity of a flat wall. We found that a cavity appears on the confined crystal surface. We obtain a non-equilibrium morphology diagram in agreement with experimental observations. When crossing the transition line, a cavity can appear continuously or discontinuously depending on the form of the disjoining pressure (repulsive or attractive). For nanometric film thicknesses, viscosity can hinder the formation of the cavity.Finally, we study the force of crystallization exerted by a crystal growing between two flat walls. We point out the importance of a precise definition of the contact area to define the thermodynamic equilibrium pressure. During growth, the triple-line undergoes a kinetic pinning transition depending solely on the ratio between the diffusion constant and the product of the surface kinetic constant and distance between the walls. After this transition, the crystallization force decreases to zero, and a macroscopic film forms

Les interactions gravitationnelles et électrostatiques sont deux exemples fondamentaux de systèmes en interaction de longue portée. Les propriétés d'équilibre de modèles simples en interaction de longue portée sont bien comprises et révèlent des comportemens exotiques: capacité spécifique négative et inéquivalence des ensembles statistiques par exemple.<p><p>La compréhension de l'évolution dynamique dans le cas de systèmes en interaction de longue portée représente encore actuellement un défi théorique. Des modèles simples présentent des propriétés telles que des transitions de phase hors d'équilibre ou des états quasi-stationnaires.<p><p>Le but de la présente thèse est d'étudier les propriétés dynamiques de systèmes en interaction de longue portée pour des modèles à une dimension. La description cinétique adéquate est donnée par l'équation de Vlasov. Une théorie statistique proposée par D. Lynden-Bell est appropriée pour prédire dans certaines situations l'aboutissement de la dynamique. Un outil de simulation pour l'équation de Vlasov complète cette approche.<p><p>Une étude détaillée de la transition de phase dans le Laser à Electrons Libres est présentée et la transition est analysée à l'aide de la théorie de Lynden-Bell.<p>Ensuite, la présence d'étirement et de repliement est étudiée dans le modèle Hamiltonian Mean-Field en analogie avec la dynamique des fluides.<p>Enfin, un système de pendules découplés dont les états asymptotiques sont similaires à ceux du modèle Hamiltonian Mean-Field est introduit. Son évolution asymptotique est prédite par la théorie de Lynden-Bell et par une approche exacte. Ce système présente une évolution initiale rapide similaire à la relaxation violente présente dans des modèles plus compliqués. De plus, une transition de phase hors d'équilibre est trouvée si une condition d'auto-consistence est imposée.<p><p>En résumé, la présente thèse comporte des résultats originaux liés à la présence d'états quasi-stationnaires et de transitions de phase hors d'équilibre dans des modèles unidimensionnels en interaction de longue portée.<p>Les résultats concernant le Laser à Electrons Libres offrent une perspective de réalisation expérimentale des phénomènes décrits dans cette thèse.<p><p>/<p><p>Gravitational and electrostatic interactions are fundamental examples of systems with long-range interactions.<p>Equilibrium properties of simple models with long-range interactions are well understood and exhibit exotic behaviors: negative specific heat and inequivalence of statistical ensembles for instance.<p><p>The understanding of the dynamical evolution in the case of long-range interacting systems still represents a theoretical challenge. Phenomena such as out-of-equilibrium phase transitions or quasi-stationary states have been found even in simple models.<p><p>The purpose of the present thesis is to investigate the dynamical properties of systems with long-range interactions, specializing on one-dimensional models. The appropriate kinetic description for these systems is the Vlasov equation. A statistical theory devised by D. Lynden-Bell is adequate to predict in some situations the outcome of the dynamics.<p>A complementary numerical simulation tool for the Vlasov equation is developed.<p><p>A detailed study of the out-of-equilibrium phase transition occuring in the Free-Electron Laser is performed and the transition is analyzed with the help of Lynden-Bell's theory.<p>Then, the presence of stretching and folding in phase space for the Hamiltonian Mean-Field model is studied and quantified from the point of view of fluid dynamics.<p>Finally, a system of uncoupled pendula for which the asymptotic states are similar to the ones of the Hamiltonian Mean-Field model is introduced. Its asymptotic evolution is predicted via both Lynden-Bell's theory and an exact computation. This system displays a fast initial evolution similar to the violent relaxation found for interacting systems. Moreover, an out-of-equilibrium phase transition is found if one imposes a self-consistent condition on the system.<p><p>In summary, the present thesis discusses original results related to the occurence of quasi-stationary states and out-of-equilibrium phase transitions in 1D models with long-range interaction.<p>The findings regarding the Free-Electron Laser are of importance in the perspective of experimental realizations of the aforementioned phenomena.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished