Dissertations / Theses on the topic 'Turbulence transport'

Le transport de particules par des écoulements turbulents est un phénomène présent dans de nombreux écoulements naturels et industriels, tels que la dispersion de polluants dans l'atmosphère ou du phytoplancton et plastiques dans et à la surface des océans. Les modèles prédictifs classiques ne peuvent prévoir avec précision la formation de larges fluctuations de concentrations. La première partie de cette thèse concerne une étude de la dispersion turbulente de traceurs émis à partir d'une source ponctuelle et continue. Les fluctuations spatiales de masse sont déterminées en fonction de la distance à la source et à l'échelle d'observation. La combinaison de plusieurs phénomènes physiques à l'origine du mélange limite la validité d'une caractérisation de géométrie fractale. Une approche alternative est proposée, permettant d'interpréter les fluctuations massiques en terme des différents régimes de séparation de pair dans des écoulements turbulents. La seconde partie concerne des particules ayant une inertie finie, dont la dispersion dans l'espace des vitesses requiert de développer des techniques de modélisation adaptées. Une méthode numérique originale est proposée pour exprimer la distribution des particules dans l'espace position-vitesse. Cette méthode est ensuite utilisée pour décrire la modulation de la turbulence bi- dimensionnelle par des particules inertielles. A grand nombres de Stokes, l'effet montré est analogue à celui d'une friction effective à grande échelle. Aux petits Stokes, le spectre de l'énergie cinétique du fluide et les transferts non-linéaires sont modifiées d'une manière non triviale
The transport of particles by turbulent flows is ubiquitous in nature and industry. It occurs in planet formation, plankton dynamics and combustion in engines. For the dispersion of atmospheric pollutants, traditional predictive models based on eddy diffusivity cannot accurately reproduce high concentration fluctuations, which are of primal importance for ecological and health issues. The first part of this thesis relates to the dispersion by turbulence of tracers continuously emitted from a point source. Mass fluctuations are characterized as a function of the distance from the source and of the observation scale. The combination of various physical mixing processes limits the use of fractal geometric tools. An alternative approach is proposed, allowing to interpret mass fluctuations in terms of the various regimes of pair separation in turbulent flows. The second part concerns particles with a finite and possibly large inertia, whose dispersion in velocity requires developing efficient modelling techniques. A novel numerical method is proposed to express inertial particles distribution in the position-velocity phase space. Its convergence is validated by comparison to Lagrangian measurements. This method is then used to describe the modulation of two-dimensional turbulence by large-Stokes-number heavy particles. At high inertia, the effect is found to be analogous to an effective large-scale friction. At small Stokes numbers, kinetic energy spectrum and nonlinear transfers are shown to be modified in a non-trivial way which relates to the development of instabilities at vortices boundaries

La modélisation est essentielle pour comprendre et reproduire les phénomènes physiques dominants ayant lieu dans des écoulements turbulents naturels (atmosphériques, océaniques). En effet, la dynamique des écoulements géophysiques résulte d'interactions complexes à des échelles et intensités variées, et sur des temps différents. La description précise de tels écoulements est pour le moment hors de portée des simulations numériques directes, surtout à cause des limitations en nombre de Reynolds. C'est pourquoi dans cette thèse on s'attaque à la modélisation de la turbulence homogène avec le formalisme spectral de l'approximation EDQNM. Ceci nous permet d'obtenir des résultats rapidement en termes de ressources numériques à très grands nombres de Reynolds, et ainsi d'étudier séparément la plupart des mécanismes en jeu dans les écoulements turbulents naturels, à savoir le cisaillement, le gradient de température, la stratification, l'hélicité, et des combinaisons de ces éléments. On procède en deux étapes: tout d'abord, l'EDQNM permet de fermer les équations des moments d'ordre 2, et ensuite l'anisotropie est modélisée grâce à des tenseurs moyennés sphériquement. Cette méthode est appliquée aux différentes configurations mentionnées ci-dessus, nous permet de proposer de nouveaux résultats et de les valider numériquement à grands nombres de Reynolds. Parmi les points les plus importants, nous nous sommes concentrés sur (i) la prédiction des lois de croissance et décroissance de quantités telles que l'énergie cinétique, la variance scalaire et l'hélicité; (ii) la détermination des comportements spectraux; et (iii) la distribution d'anisotropie échelle par échelle
Modelling is essential to understand and reproduce the dominant physical mechanisms occurring in natural turbulent flows such as atmospheric and oceanic ones. Indeed, the dynamics of geophysical flows results of multiple complex processes interacting with each others, at various scales, intensities, and on different characteristic times. The fine description of such flows is currently out of reach of direct numerical simulations, notably because of Reynolds numbers limitations. Consequently, we address in this thesis the modelling of homogeneous turbulence, using the spectral formalism of the eddy-damped quasi-normal Markovian (EDQNM) approximation. This first allows us to obtain results rapidly in terms of computational resources at very large Reynolds numbers, and thus to investigate separately some of the fundamental mechanisms at stake in natural turbulent flows, namely shear, mean temperature gradient, stratification, helicity, and combinations of these processes. In this framework, a two-step approach is considered: first, EDQNM is used to close the non-linear terms in the second-order moments equations, and anisotropy is then modelled through spherically-averaged tensors. This methodology is applied to the various configurations mentioned above, permits to propose new theoretical results, and to assess them numerically at large Reynolds numbers. Among the most important findings, we focused on (i) the prediction of the decay and growth laws of crucial one-point statistics such as the kinetic energy, the scalar variance, and helicity; (ii) the determination of spectral scalings; and (iii) the scale by scale distribution of anisotropy

Cette étude, en partenariat avec l'AFB (Agence Française pour la Biodiversité), a pour objectif decomprendre le devenir des sédiments qui ont été bloqués dans des barrages hydrauliques. Lorsdes « chasses » (lâchers massifs d’eau) réalisées pour assurer la continuité écologique des coursd'eau avec retenues, une certaine quantité de sédiments est relarguée en aval de la retenue, cessédiments sont ensuite transportés sur un fond de rugosités immobiles à différentes échelles(gravier, galets, rochers). L'objectif de cette thèse est donc d'étudier comment la présence degrains grossiers et immobiles peut avoir un effet sur les différentes échelles du transport desédiment. Au travers de trois études expérimentales en canaux hydrauliques à surface libre, danslesquelles les grains grossiers immobiles sont modélisés par une canopée d'hémisphèresrégulièrement espacés, différents impacts de la présence des rugosités immobiles sont mis enexergue. Une étude préliminaire a tout d'abord pour objectif de comprendre comment l'apparitiond'une rugosité isolée dans du sédiment a pour effet de modifier les conditions d’hydrodynamiquelocale à l’amont de cette rugosité, en particulier par la mise en place d'un système de tourbillon(tourbillon en fer à cheval) pouvant accentuer le taux d'érosion locale. Ce tourbillon, trèsdocumenté pour des rugosités à géométrie simple, demeure très peu étudié dans le casd'obstacle aux parois courbées de type grains de rivière. Cette étude montre alors que lesdimensions et l'intensité du tourbillon en fer à cheval sont plus faibles dans le cas d'un obstacleaux parois inclinées et courbées que dans le cas d'un obstacle aux parois normales au fond, cephénomène étant expliqué par la facilité du fluide à contourner et l'obstacle, et donc la diminutiondu gradient de pression adverse à l'amont de l'obstacle, responsable du décollement de la couchelimite incidente et de la formation du tourbillon en fer à cheval. Dans une seconde étude,l'hydrodynamique locale proche de sédiment placé dans un patch d'hémisphères est mesuré, pourdifférents niveaux de découvrement du patch et pour du sédiment collé au fond du canal. Ilapparaît qu'en fonction du découvrement ($P = k/R$ avec $k$ la hauteur découverte d'unerugosité et $R$ sa hauteur totale), de forte variations locales de contrainte et de niveaux deturbulence au fond se mettent en place, le sédiment étant soumis à des sur-contraintesimportantes à l'arrière des rugosités pour $P = 20\%$, mais protégés pour des découvrementsplus importants. Une analyse par quadrants montre alors que ce phénomène peut être expliquépar la capacité des événements turbulents instantanés de forte intensité à pénétrer entre leshémisphères pour atteindre le sédiment. Une troisième étude dans un canal aux dimensions plusimportantes consiste à analyser la déstabilisation d’un lit sédimentaire initialement plat etrecouvrant totalement une canopée d’hémisphères immobiles. En début de la déstabilisation du lit,des dunes se forment et croissent, jusqu'à ce que leur volume devienne limité par l'apport initial desédiment. Des zones érodées apparaissent alors entre ces dunes, dans lesquelles on observe dusédiment protégé entre les hémisphères immobiles. Il apparaît alors que cette protection estdépendante de la dimension des zones érodées. Sur les temps longs et après évacuation desdunes en aval du canal, l'effet de protection des hémisphères immobiles sur le sédiment est misen avant, avec en particulier l'obtention d'une forte dépendance du taux d'érosion des grains enfonction du niveau de découvrement des hémisphères, un ralentissement soudain de l'érosionétant obtenu pour $P \sim 50 %. Ce changement de régime est expliqué en lien avec les résultatsde l’étude précédente sur les groupes d’hémisphères.

In this dissertation I have argued that the study of stars and gaseous planets has relied too heavily on simplifying assumptions. In particular, I have demonstrated that the assumptions of spherical symmetry, thermal equilibrium, dynamical equilibrium and turbulent anisotropy all hide interesting phenomena which make a true difference to the structure and evolution of these bodies. To begin I developed new theoretical tools for probing these phenomena, starting with a new model of turbulent motion which accounts for many different sources of anisotropy. Building on this I studied rotating convection zones and determined scaling relations for the magnitude of differential rotation. In slowly-rotating systems the differential rotation is characterised by a power law with exponent of order unity, while in rapidly-rotating systems this exponent is strongly suppressed by the rotation. This provides a full characterisation of the magnitude of differential rotation in gaseous convection zones, and is in reasonable agreement with a wide array of simulations and observations. I then focused on the convection zones of rotating massive stars and found them to exhibit significantly anisotropic heat fluxes. This results in significant deviations from spherical symmetry and ultimately in qualitatively enhanced circulation currents in their envelopes. Accordingly, these stars ought to live much longer and have a different surface temperature. This potentially resolves several outstanding questions such as the anomalously slow evolution of stars on the giant branch, the dispersion in the observed properties of giant stars and the difficulty stellar modelling has to form massive binary black holes. In the same vein I examined the convection zones of bloated hot Jupiters and discovered a novel feedback mechanism between non-equilibrium tidal dissipation and the thermal structure of their upper envelopes. This mechanism stabilises shallow radiative zones against the convective instability, which would otherwise take over early on in the planet's formation as it proceeds to thermal equilibrium. Hence tidal dissipation is dramatically enhanced, which serves to inject significant quantities of heat into the upper layers of the planet and causes it to inflate. This mechanism can explain most of the observed population of inflated planets. Finally, I studied material mixing in the outer layers of accreting stars and developed a method for relating the observed surface chemistry to the bulk and accreting chemistries. This enables the direct inference of properties of circumstellar material and accretion rates for a wide variety of systems.

La compréhension du transport d’impuretés dans les tokamaks est cruciale. En effet, les noyaux lourds ne sont que partiellement ionisés dans le cœur du plasma, ils peuvent alors fortement rayonner et entraîner une diminution importante de la qualité du plasma. Une accumulation des impuretés au cœur du plasma est souvent observée au sein des tokamaks. Cette accumulation est souvent attribuée à la physique néoclassique mais le transport turbulent pourrait bien dominer dans la zone de gradient dans ITER. Jusqu’à récemment, le calcul des flux néoclassique et turbulent étaient réalisés de façon distincte, supposant implicitement que les deux canaux de transport sont indépendants. On peut se demander si cette hypothèse est valide.En effet, des simulations obtenues avec le code gyrocinétique GYSELA ont montré l’existence d’une synergie entre transports néoclassique et turbulent dans le cas des impuretés et un mécanisme permettant sa compréhension a été trouvé.La turbulence peut générer des asymétries poloidales. Un travail analytique permet de prédire le niveau et la structure de la partie axisymétrique du potentiel électrique. Deux mécanismes sont à l’origine des asymétries poloidales du potentiel électrique: la compressibilité du flot et le ballonnement de la turbulence.Une nouvelle prédiction du flux d’impureté néoclassique en présence d’asymétries poloidales et d’anisotropie de la pression a été réalisée. Un bon accord a été trouvé entre la nouvelle prédiction et une simulation réalisée avec GYSELA pour laquelle la turbulence est à l’origine des asymétries poloidales et de l’anisotropie de la pression
Impurity transport is an issue of utmost importance for tokamaks. Indeed high-Z materials are only partially ionized in the plasma core, so that they can lead to prohibitive radiative losses even at low concentrations, and impact dramatically plasma performance and stability. On-axis accumulation of tungsten has been widely observed in tokamaks.While the very core impurity peaking is generally attributed to neoclassical effects, turbulent transport could well dominate in the gradient region at ITER relevant collisionality. Up to recently, first principles simulations of corresponding fluxes were performed with different dedicated codes, implicitly assuming that both transport channels are separable and therefore additive. The validity of this assumption is questionned. Simulations obtained with the gyrokinetic code GYSELA have shown clear evidences of a neoclassical-turbulence synergy for impurity transport and allowed the identification of a mechanism that underly this synergy.An analytical work allows to compute the level and the structure of the axisymmetric part of the electric potential knowing the turbulence intensity. Two mechanisms are found for the generation of poloidal asymmetries of the electric potential: flow compressibility and the ballooning of the turbulence. A new prediction for the neoclassical impurity flux in presence of large poloidal asymmetries and pressure anisotropies has been derived. A fair agreement has been found between the new theoretical prediction for neoclassical impurity flux and the results of a GYSELA simulation displaying large poloidal asymmetries and pressure anisotropies induced by the presence of turbulence

Dans cette thèse, nous étudions les propriétés du transport de particules chargées de haute énergie dans des champs électromagnétiques turbulents.Ces champs ont été générés en utilisant le code magnétohydrodynamique (MHD) RAMSES, résolvant les équations de la MHD idéales compressibles. Nous avons développé un module pour générer la turbulence MHD, en utilisant une technique de forçage à grande échelle. Les propriétés des équations de la MHD font cascader l'énergie des grandes échelles vers les petites, développant un spectre en énergie suivant une loi de puissance, appelée zone inertielle. Nous avons développé un module permettant de calculer les trajectoires de particule chargée une fois le spectre turbulent établi. En injectant les particules à une énergie telle que l'inverse du rayon de Larmor des particules corresponde à un mode du spectre de Fourier dans la zone inertielle, nous avons cherché à mettre en évidence un effet systématique lié à la loi de puissance du spectre. Cette méthode a montré que le libre parcours moyen est indépendant de l'énergie des particules jusqu'à des valeurs de rayon de Larmor proches de l'échelle de cohérence de la turbulence. La dépendance du libre parcours moyen avec le nombre de Mach alfvénique des simulations MHD a également produit une loi de puissance.Nous avons également développé une technique pour mesurer l'effet de l'anisotropie de la turbulence MHD sur les propriétés du transport des rayons cosmiques, au travers le calcul de champs magnétiques locaux. Cette étude nous a montré un effet sur coefficient de diffusion angulaire, accréditant l'hypothèse que les particules sont plus sensible aux variations de petites échelles
In this thesis, we study the transport properties of high energy charged particles in turbulent electromagnetic fields.These fields were generated by using the magnetohydrodynamic (MHD) code RAMSES, which solve the compressible ideal MHD equations. We have developed a module for generating the MHD turbulence, by using a large scale forcing technique. The MHD equations induce a cascading of the energy from large scales to small ones, developing an energy spectrum which follows a power law, called the inertial range.We have developed a module for computing the charged particle trajectories once the turbulent spectrum is established. By injecting the particles to energy such as the inverse of the particle Larmor radius corresponds to a mode in the inertial range of the Fourier spectrum, we have highlighted systematic effects related to the power law spectrum. This method showed that the mean free path is independent of the particules energy until the Larmor radius takes values close to the turbulence coherence scale. The dependence of the mean free path with the alfvénic Mach number produced a power law.We have also developed a technique to measure the anisotropy effect of the MHD turbulence in the cosmic rays transport properties through the calculation of local magnetic fields. This study has shown an effect on the pitch angle scattering coefficient, which confirmed the assumption that the particles are more sensitive to changes in small scales fluctuations

Le couplage important entre les différentes échelles d’un écoulement est une des caractéristiques prin-cipales des turbulences. Cela est exprimé mathématiquement par les termes non linéaires présents dans les équations d’équilibre de l’écoulement, dominants en dynamique turbulente. En magnétohy-drodynamique (MHD), la force de Lorentz influe sur l’équation de conservation de l’impulsion et le nombre de termes non linéaires passe à quatre au lieu d’un seul pour un fluide non conducteur.

L’objectif principal de cette thèse est d’analyser le transport d’énergie inter-échelles en utilisant une simulation numérique directe d’un écoulement turbulent MHD. Les propriétés de localité du transport de l’énergie entre les échelles pour un écoulement anisotropique ou isotropique, généré par la présence d’un champ magnétique constant, sont renforcées. Un objectif secondaire est d’établir un cadre de travail pour l’étude du transport de particules test chargées dans un champ électromagnétique turbu-lent, i.e. généré par le mouvement d’un fluide conducteur, qui possède des structures à plusieurs ordres de grandeur. La structure de la thèse est présentée ci-dessous.

Dans la première partie, composée des deux premiers chapitres, l’auteur présente les notions de turbu-lences, aussi bien hydrodynamiques que MHD. Ces deux chapitres sont des synthèses.

La deuxième partie est la principale source de nouveaux résultats. Le chapitre 3 présente les méthodes numériques pour la résolution des équations, les méthodes pseudo-spectrales. Un nouveau type de force est introduit, imposant un niveau de dissipation pour tous les invariants. Dans le chapitre 4, il est effectué une analyse du transfert d'énergie entre ordres de grandeur pour les turbulences MHD. Pour explorer ces transferts d'énergie, le domaine spectral est décomposé en une série de coques de même nombre d'onde. Le transfert moyen d'énergie entre ces coques est analysé. Les transferts d'énergie s'avèrent être surtout locaux en ordre de grandeur, alors qu'une contribution non locale existe due à la force. En présence d'un champ magnétique, l'écoulement développe une direction préférentielle, une anisotropie, où une idée nouvelle de décomposition de l'espace spectral en structures annulaires est présentée. Utilisant cette décomposition annulaire on trouve que le transfert entre anneaux est local, surtout dans les anneaux de direction perpendiculaire au champ magnétique. Pour les turbulences isotropiques, dans le chapitre 5, la localité des flux d'énergie est explorée par le biais de fonctions de localité. Dans le cas de la turbulence MHD, nous avons un comportement non local plus prononcé.

La dernière partie, les chapitres 6 et 7, présente le formalisme de suivi des trajectoires de particules chargées évoluant dans un champ électromagnétique turbulent. L'influence de la méthode d'interpola-tion du solveur de particules est étudiée avant la présentation des concepts liés au transport de particu-les et aux régimes de diffusion. L'adiabatisme du mouvement des particules chargées est discuté et le transport de particules chargées dans un champ magnétique turbulent est montré en exemple.

Doctorat en sciences, Spécialisation physique
info:eu-repo/semantics/nonPublished

Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Department of Civil and Environmental Engineering, 2018.
Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages 179-188).
Aquatic vegetated habitats, including wetlands and mangroves, are disappearing at an annual rate of 1 to 7%. These ecosystems provide habitats important to fisheries, enhance water quality by filtering nutrients from run-off, and also protect coastal regions from storm surges and waves. To mitigate the loss of these habitats, restoration projects import sediment to eroded areas. The success of the restoration depends on its ability to retain sediment; therefore restoration design requires a good understanding of sediment transport within vegetated landscapes. However, there is currently no quantitative model for sediment transport in vegetated regions, and many restoration projects have failed due to unanticipated erosion from the restored regions. The goal of this thesis is to develop a predictive model for sediment transport in regions with vegetation. First, the affect of vegetation on the critical condition when sediment start to move was explored. To identify the critical condition, an imaging system was designed to track the trajectories of individual moving grain through running water. The critical flow velocity (U[subscript crit]) above which sediment starts to move was identified from the tracked sediment trajectories for both bare (non-vegetated) and vegetated regions. The experimental results showed that for the same type of sediment, U[subscript crit] decreased with increasing vegetation solid volume fraction. This was attributed to the vegetation-generated turbulence, which induced a local, vertical, adverse pressure, or a lift force on the sediment grain, facilitating sediment transport. In contrast, the turbulent kinetic energy (k[subscript t]) was found to be roughly a constant at the critical condition for different vegetation volume fractions, suggesting that k[subscript t] is a more universal metric than T for predicting the critical condition of the sediment transport. A k[subscript t]-based model was developed to predict U[subscript crit] for channels with different vegetation solid volume fractions. The turbulence-based model successfully predicted U[subscript crit] for both bare and vegetated channels, providing a useful tool for ecologists to predict whether a vegetated landscape will erode or not. Second, the impact of vegetation on the bed load transport rate was explored. A system that allows sediment to be bypassed, a cart to distribute sediment, a method that measures the dry weight of wet sand without drying the sediment, a topography system, and an sediment trajectory imaging system were designed. The bed load transport rate (Q[subscript s],) was measured for both bare channels and channels with different vegetation solid volume fractions ([phi]) under different flow rates. At the same [tau], the measured Q[subscript s], increased with increasing [phi], suggesting that vegetation-generated turbulence, which also increased with increasing ]phi], was augmenting the bed load transport. At the same near-bed turbulent kinetic energy, k[subscript t], the Q[subscript s], measured in both bare and vegetated channels agreed within uncertainty, suggesting that k[subscript t] may be a more universal predictor of Q[subscript s] than [tau]. The Einstein-Brown [tau]-based bed load transport model was reinterpreted as a k[subscript t]-based model. The new kt-based model predicted the Q[subscript s] measurements for both bare and vegetated channels. The dependence of Q[subscript s] on k[subscript t] was explained by the statistics of individual grain motion, which showed that Q[subscript s] was predominantly controlled by the number of grains in motion, which correlated with k[subscript t]. The proposed k[subscript t]-based sediment transport model can be used to simulate large-scale landscape evolution and to help ecologists design better coastal restoration strategies. Third, the impacts of vegetation on bed-form characteristics and migration rate were studied. After the measured bed load transport rate converged to an equilibrium value, the bed topography was scanned by a laser topography system. Bed-forms with height less than 2cm were observed and characterized as ripples. For low vegetation solid volume fraction ([phi] by Qingjun Judy Yang.
Ph. D.

La compréhension du transport d’impuretés dans les tokamaks est cruciale. En effet, les noyaux lourds ne sont que partiellement ionisés dans le cœur du plasma, ils peuvent alors fortement rayonner et entraîner une diminution importante de la qualité du plasma. Une accumulation des impuretés au cœur du plasma est souvent observée au sein des tokamaks. Cette accumulation est souvent attribuée à la physique néoclassique mais le transport turbulent pourrait bien dominer dans la zone de gradient dans ITER. Jusqu’à récemment, le calcul des flux néoclassique et turbulent étaient réalisés de façon distincte, supposant implicitement que les deux canaux de transport sont indépendants. On peut se demander si cette hypothèse est valide.En effet, des simulations obtenues avec le code gyrocinétique GYSELA ont montré l’existence d’une synergie entre transports néoclassique et turbulent dans le cas des impuretés et un mécanisme permettant sa compréhension a été trouvé.La turbulence peut générer des asymétries poloidales. Un travail analytique permet de prédire le niveau et la structure de la partie axisymétrique du potentiel électrique. Deux mécanismes sont à l’origine des asymétries poloidales du potentiel électrique: la compressibilité du flot et le ballonnement de la turbulence.Une nouvelle prédiction du flux d’impureté néoclassique en présence d’asymétries poloidales et d’anisotropie de la pression a été réalisée. Un bon accord a été trouvé entre la nouvelle prédiction et une simulation réalisée avec GYSELA pour laquelle la turbulence est à l’origine des asymétries poloidales et de l’anisotropie de la pression
Impurity transport is an issue of utmost importance for tokamaks. Indeed high-Z materials are only partially ionized in the plasma core, so that they can lead to prohibitive radiative losses even at low concentrations, and impact dramatically plasma performance and stability. On-axis accumulation of tungsten has been widely observed in tokamaks.While the very core impurity peaking is generally attributed to neoclassical effects, turbulent transport could well dominate in the gradient region at ITER relevant collisionality. Up to recently, first principles simulations of corresponding fluxes were performed with different dedicated codes, implicitly assuming that both transport channels are separable and therefore additive. The validity of this assumption is questionned. Simulations obtained with the gyrokinetic code GYSELA have shown clear evidences of a neoclassical-turbulence synergy for impurity transport and allowed the identification of a mechanism that underly this synergy.An analytical work allows to compute the level and the structure of the axisymmetric part of the electric potential knowing the turbulence intensity. Two mechanisms are found for the generation of poloidal asymmetries of the electric potential: flow compressibility and the ballooning of the turbulence. A new prediction for the neoclassical impurity flux in presence of large poloidal asymmetries and pressure anisotropies has been derived. A fair agreement has been found between the new theoretical prediction for neoclassical impurity flux and the results of a GYSELA simulation displaying large poloidal asymmetries and pressure anisotropies induced by the presence of turbulence

Cette thèse porte sur la dynamique de particules dans des écoulements turbulents, en particulier sur l'apparition de structures. Deux situations physiques sont étudiées. D'une part, dans le cas du mouvement de traceurs, c'est-à-dire de particules fluides de même composition que le flot, transportés par un champ de vitesse turbulent bidimensionnel, un triplet de particules (un triangle) tend à se déformer en une structure très allongée sous l'action de l'écoulement. D'autre part, pour des particules inertielles de densité grande devant celle du fluide et soumises à une force de traînée, des distributions spatiales fortement inhomogènes peuvent apparaître, conduisant à la formation d' attracteurs étranges. L'approche suivie dans cette thèse consiste à modéliser l'action de l'écoulement turbulent en utilisant des outils de dynamique stochastique (équations de Langevin), qui permettent d'obtenir une description effective des comportements observés. Dans le cas des particules inertielles, les attracteurs sont caractérisés par une dimension fractale. L’ajout d’un bruit dans les équations du mouvement a permis d'étendre cette notion à des valeurs de dimension négatives, intrinsèques à la dynamique en l'absence de bruit. Cette thèse établit qu'il est possible de formuler les deux problèmes physiques étudiés en termes de processus stochastiques très généraux, dont le prototype est celui décrivant la sédimentation de particules en présence de bruit thermique. La détermination des caractéristiques de la solution requiert une nouvelle approche. La solution proposée ici est basée sur la théorie des grandes déviations
This thesis deals with the dynamics of particles in turbulent flows and the formation of structures. Two physical situations are studied. First, we consider the dynamics of tracers, that is ideal fluid particles, transported by a turbulent velocity field. A triplet of such particles forms a triangle, which tends to be flattened under the action of the incompressible flow. Second, inertial particles of density higher than that of the fluid and subjected to a viscous drag force usually cluster on regions of high concentration, leading to the formation of strange attractors. The approach followed in this thesis consists in modeling the action of the turbulent flow using tools of stochastic dynamics (such as Langevin equations), which allow us to obtain a effective description of these phenomena. For inertial particles, the attractors are characterized by a non-integer fractal dimension. The addition of an external noise in the equations of motion lead to a generalization of this notion to negative values, intrinsic to the dynamics in the absence of noise. This thesis shows that it is possible to formulate the two problems in terms of very general stochastic processes, whose prototype is the one describing the sedimentation of particles in the presence of a thermal noise. The determination of the characteristics of the solution requires a new approach. The solution proposed here is based on the large deviation theory

Le fonctionnement à l'équilibre du réacteur à fusion de prochaine génération, ITER, nécessitera le développement d'outils numériques fiables permettant d'estimer les paramètres d'ingénierie clés à un coût de calcul raisonnable. Les codes de transport répondent à cette exigence car ils reposent sur des équations fluides bidimensionnelles qui sont moyennées sur les fluctuations temporelles, de la même manière que les modèles « Reynolds Averaged Navier-Stokes » couramment utilisés dans la communauté des fluides neutres. De plus, les codes de transport peuvent rassembler la plupart des ingrédients physiques régissant le comportement du plasma de bord, ainsi que une topologie magnétique réaliste et la géométrie du mur. Cependant, leur prévisibilité est limitée par une description inadéquate des flux turbulents perpendiculaires aux lignes de champ magnétique, qui influent fortement e confinement du plasma sur de longues périodes. En effet les flux perpendiculaires, supposés diffusifs, sont grossièrement déterminés par des coefficients de diffusion homogènes ou "ad-hoc", ou par des procédures à boucle de rétroaction appliquées "a-posteriori" à des données expérimentales. Motivés par ces questions, nous présentons dans ce travail un nouveau modèle pour estimer de manière cohérente la distribution des flux perpendiculaires dans les codes de transport, lorsque les plasmas en régime permanent sont concernés. La stratégie consiste à introduire des outils numériques efficaces largement utilisés dans la communauté de la turbulence neutre en physique des plasmas. Deux concepts clés sont inspirants dans la communauté des fluides neutres. Le premier est "l'hypothèse de Boussinesq". Elle consiste à linéariser le tenseur de contraintes de Reynolds dansl'équation de Navier-Stokes moyennée dans le temps via une relation de diffusion dans laquelle le terme de proportionnalité est appelé « eddy viscosity ». Le deuxième concept est le modèle "k-epsilon", dans lequel les équations de transport pour l'énergie turbulente cinétique moyenne et le taux d'échange d'énergie entre les structures turbulentes sont conçues de manière semi-empirique. A l'équilibre, k et epsilon permettent une estimation auto-cohérente de l’« eddy viscosity », intégrant ainsi l'impact de la turbulence sur les flux moyennés à l'état d'équilibre. Ces concepts ne peuvent pas être appliqués directement pour enrichir la modélisation des flux perpendiculaires dans les plasmas en raison de différentes propriétés de turbulence. Par conséquent, nous suggérons une adaptation du modèle k-epsilon pour les flux neutres à des plasmas à confinement magnétique, où deux équations de transport pour l’énergie cinétique turbulente et son taux de dissipation sont dérivées algébriquement, y compris la physique de l’instabilité d’interchange linéaire, responsable de la distribution "ballonnée" du transport perpendiculaire dans le bord du plasma. Différentes approches sont décrites pour fermer les paramètres libres : premièrement, une procédure de boucle de rétroaction pour optimiser les résultats numériques comparés avec un test expérimental. Ensuite, on assume une loi d'échelle de référence pour la largeur du profil de flux de chaleur dans la SOL, déterminée empiriquement à partir des mesures expérimentales du flux de chaleur sur le divertor externe dans diverses machines. Le nouveau modèle est intégré au package de transport SolEdge2D-EIRENE, développé en collaboration entre le CEA et le laboratoire M2P2 de l'Université d'Aix-Marseille. Les résultats numériques à l’état d’équilibre sont discutés et on démontre qu’ils se comparent favorablement aux données expérimentales soit à l'outer midplane que au divertor externe. De plus, on montre que les distributions de diffusivité présentent des asymétries poloïdales cohérentes avec la distribution "ballonnée" du transport perpendiculaire observée dans les mêmes conditions dans les codes de premier principe et les expériences
Steady-state operations of the next-generation fusion device ITER will require the development of reliable numerical tools to estimate key engineering parameters suitable for technological constraints at reasonable computational cost.So-called transport codes fulfil this requirement since they rely on 2D fluid equations averaged over time fluctuations, similarly to Reynolds Averaged Navier-Stokes models commonly used for engineering applications in the neutral fluid community. Furthermore, transport codes can gather most of the physical ingredients ruling the edge plasma behaviour, as well as realistic magnetic topology and wall geometry. However, their predictability is limited by a crude description of turbulent fluxes perpendicular to the magnetic field lines. In the plasma community, a special concern is devoted to acquire a detailed understanding of these fluxes, since they strongly impact on the power extraction and the confinement of plasma over extended periods of time. In transport codes though, turbulent fluxes, which are assumed diffusive, are crudely determined by either homogeneous, or ad-hoc diffusive coefficients, or feedback-loop procedures applied a-posteriori on experimental data.Motivated by these issues, in this work we introduce step-by-step a new approach with the aim to self-consistently estimate the distribution of turbulent fluxes in transport codes, when steady-state plasmas are concerned. The underlying strategy is inspired by the work done from the 60’s in neutral turbulence and adapted here to plasma for fusion applications.The first key concept is the Boussinesq assumption. It consists in assuming a colinearity between the Reynolds stress tensor - which represents the contribution of turbulence to the mean flow - and the mean rate of strain tensor - expressed by the gradient of the mean velocity through a coefficient: the so-called eddy-viscosity. The second concept is to express this new eddy viscosity coefficient as a function of characteristic turbulence quantities. We have focused here on the most popular in Computational Fluid Dynamics, the κ-ε model, where transport equations for the averaged kinetic turbulent energy and the turbulence dissipation rate are designed semi-empirically. Steady-state κ and ε allow for a self-consistent estimation of the eddy-viscosity coefficient, thus including the impact of turbulence in steady-state mean flows. We propose a κ-ε -like model where two transport equations for turbulent kinetic energy and its dissipation rate are derived algebraically, including the physics of the linear interchange instability. For the numerical implementation, we exploit the flexibility of the transport package SolEdge2D-EIRENE, developed for many years through the collaboration of the IRFM at the CEA and the laboratory M2P2 at Aix-Marseille University.Since the new model is semi-empirical, it presents some free parameters to be closed. In this work, we have proposed different approaches. In particular, in order to increase the predictive capabilities of the model, a reference scaling law for the width of the heat-flux profile in the scrape-off layer has been assumed, empirically determined from the experimental measurements of the outer target heat load in various machines. The new model is integrated in SolEdge2D-EIRENE for simulations with diverted plasma in TCV and WEST-like geometries, for L-mode discharges. Steady-state results are discussed and shown to favourably compare with experimental data at both the outer mid-plane and the outer divertor. Moreover, self-consistent distributions of diffusivities are shown to exhibit poloidal asymmetries consistently with the ballooned distribution of cross-field transport due to the interchange instability and observed at the same conditions in both first-principle codes and experiments

Dans ce manuscrit, nous nous sommes intéressés au phénomène de convection thermique turbulente. La première partie du manuscrit analyse l'influence de la rugosité sur l'efficacité du transport thermique dans des cellules de convection de Rayleigh-Bénard cylindrique et rectangulaire. Au vu des mesures thermiques, une transition claire apparaît lorsque l'épaisseur de la couche limite thermique est égale à la hauteur caractéristique de la rugosité. Au delà de la transition, un nouveau régime apparaît et il ne peut être expliqué par une simple augmentation de la surface d'échange de la plaque rugueuse avec le fluide. Nous proposons ici un modèle qui rend compte de ces observations. Dans la seconde partie, la convection thermique turbulente a été étudiée dans un canal vertical long. Dans cette configuration, des mesures de vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) ont montré que l'écoulement était décomposable en deux colonnes de fluide : le fluide chaud montant sur la partie droite du canal et le froid descendant sur la partie gauche ou réciproquement. Nous avons étudié de façon systématique l'influence de la puissance injectée sur l'écoulement aux temps longs (retournement global des colonnes de fluide) et courts (obtention des profils de vitesse et de leur fluctuation et mesure de la vitesse des panaches thermiques). Dans une troisième et dernière partie, en plus de la puissance, nous ajoutons un second degré de liberté : l'angle d'inclinaison du canal. Des mesures PIV et des mesures thermiques nous ont permis d'étudier la compétition entre la turbulence et la stratification dans ce canal incliné. Un modèle rendant compte des mesures turbulentes est également proposé.

Ce travail aborde les aspects intermittents du transport dans un plasma magnétisé. Pour rendre compte d'évènements de transport intermittents, nous prendrons pour point d'attache l'instabilité d'interchange dans le tokamak. Cette dernière est identique à l'instabilité de Rayleigh-Bénard dans les fluides neutres. En dégelant la structure dans la direction de la stratification, des modes sélectionnés par Lorenz (1963), dans son célèbre modèle à trois champs de la convection, on construit un modèle à une dimension de la convection turbulente. Grâce à ce modèle nous étudions le rôle d'un écoulement moyen, transverse à la direction de la stratification, dans le contrôle de l'intermittence et dans le déclenchement d'évènements de transport balistique

Kyoto University (京都大学)
0048
新制・課程博士
博士(エネルギー科学)
甲第14180号
エネ博第182号
新制||エネ||42(附属図書館)
UT51-2008-N497
京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻
(主査)教授 近藤 克己, 教授 岸本 泰明, 教授 前川 孝
学位規則第4条第1項該当

It is currently believed that angular momentum transport in accretion disks is mediated by magnetohydrodynamic (MHD) turbulence driven by the magnetorotational instability (MRI). More than 15 years after its discovery, an accretion disk model that incorporates the MRI as the mechanism driving the MHD turbulence is still lacking. This dissertation constitutes the first in a series of steps towards establishing the formalism and methodology needed to move beyond the standard accretion disk model and incorporating the MRI as the mechanism enabling the accretion process. I begin by presenting a local linear stability analysis of a compressible, differentially rotating flow and addressing the evolution of the MRI beyond the weak-field limit when magnetic tension forces due to strong toroidal fields are considered. Then, I derive the first formal analytical proof showing that, during the exponential growth of the instability, the mean total stress produced by correlated MHD fluctuations is positive and leads to a net outward flux of angular momentum. I also show that some characteristics of the MHD stresses that are determined during this initial phase are roughly preserved in the turbulent saturated state observed in local numerical simulations. Motivated by these results, I present the first mean-field MHD model for angular momentum transport driven by the MRI that is able to account for a number of correlations among stresses found in local numerical simulations. I point out the relevance of a new type of correlation that couples the dynamical evolution of the Reynolds and Maxwell stresses and plays a key role in developing and sustaining the MHD turbulence. Finally, I address how the turbulent transport of angular momentum depends on the magnitude of the local shear. I show that turbulent MHD stresses in accretion disks cannot be described in terms of shear-viscosity.

Le travail presenté traite de la turbulence incompressible homogène en présence d'une stratification stable. L'approche de celle-ci s'effectue principalement au moyen d'un modèle statistique en deux points, de type Eddy Damped Quasi Normal Markovian (EDQNM), qui est presenté de manière globale. Ce modèle, en configuration axisymétrique, utilise une décomposition du champ de vitesse fluctuante sur la base des modes propres des équations de boussinesq linéarisées: ondes internes irrotationnelles et mode stationnaire à rotationnel horizontal (mode vortex). Les différents termes d'interactions non linéaires entre modes ondes et vortex dans le transfert pour le spectre des corrélations doubles sont etudiées en détail, de même que la contribution des interactions résonantes à la dynamique non linéaire. L'influence de la stratification sur la turbulence est caractérisée à la fois dans l'espace spectral par une anisotropie de directivité et de polarisation des spectres, et dans l'espace physique au moyen d'échelles intégrales suivant les directions verticale et horizontale. Une simulation cinématique utilisant les propriétés statistiques calculées permet d'appréhender la structuration en couches décorrélées de la turbulence. De plus, grace aux propriétés des ondes de gravité, des liens sont établis avec les écoulements géophysiques dans une approximation géostrophique, ainsi qu'avec des approches d'interactions triadiques non linéaires. Une étude analytique d'interactions purement linéaires entre ondes permet d'etudier la diffusion de l'énergie d'un spectre isotrope par les ondes internes, dans une configuration faiblement non homogène. Finalement, est effectuée une comparaison des quantités en un point calculées au moyen de l'EDQNM, avec le modèle statistique en un point de Craft & Launder pour une turbulence stratifiée, au travers des termes linéaires et non linéaires des corrélations de pression-vitesse et de pression-température
In this work, incompressible homogeneous turbulence with a stable stratification is studied. The approach consists mainly in a statistical two-point closure model of EDQNM type, for Eddy Damped Quasi Normal Markovian, presented in a general way. Using an axisymmetric configuration, the model is based on a decomposition of the fluctuating velocity field on the eigenmodes of the linearized Boussinesq equations, namely the stationary, horizontally rotational, vortex mode, and the propagating irrotational internal waves. Different non linear transfer terms are identified, corresponding to specific interactions between triads of eigenmodes, and the resonant contributions are investigated. The influence of stratification is brought to light through spectral indicators of the directivity, and the polarization anisotropy and in physical space through the computation of integral length scales with vertical and horizontal separation. By means of kinematic simulations, the vertically decorrelated layers in the turbulent field are shown. Moreover, the properties of internal gravity waves allow a close comparison with the geostrophic aproximation for geophysical flows and with a triadic stability analysis. The problem of diffusion of an initially isotropic energy spectrum through a weak inhomogeneous interface is adressed by means of an analytical solution in the linear limit. Finally, the statistical two-point model is compared to a one-point one (Craft & Launder transport model) through correlation terms involving the pressure, with the velocity field and the temperature field

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'étude de l'auto-organisation des plasmas chauds magnétisés. Nous nous intéressons en particulier aux deux objets que sont les étoiles et les tokamaks. Nous les étudions à l'aide de simulations numériques en utilisant des codes premiers principes dans le contexte des phénomènes de turbulence, de transport et de confinement dans les plasmas. La première partie de cette thèse s'attache à donner une introduction sur les caractéristiques des plasmas des étoiles et des tokamaks, ainsi que sur les raisons qui nous ont poussé à les étudier conjointement. Puis, nous développons en deuxième partie des travaux appliqués aux étoiles. A l'aide de simulations numériques, nous étudions pour la première fois en géométrie sphérique et en 3D l'interaction des mouvements turbulents avec un champ magnétique interne dans le Soleil, dans la région de la tachocline qui agit comme une barrière de transport du moment cinétique. Nous montrons qu'un tel champ magnétique ne peut expliquer l'épaisseur de la tachocline que nous observons, et donnons des pistes de réflexion pour comprendre cette épaisseur. Nous explorons également dans cette partie les implications que l'environnement d'une étoile (en particulier le vent de l'étoile, et les planètes gravitant autour) peut avoir sur son organisation interne. Cette étude nous permet aussi d'étudier l'interaction des vents stellaires avec les magnétosphères planétaires qui agissent comme des barrières de transport pour la matière. Des travaux spécifiques aux tokamaks sont ensuite présentés dans une troisième partie. Nous y développons une étude numérique des mécanismes expérimentaux conduisant à la création de barrières de transport dans les tokamaks. Ces barrières de transport permettent l'accès à des régimes de fusion nucléaire performants. Pour la première fois, nous montrons théoriquement comment déclencher la formation de ces barrières dans des simulations turbulentes de codes premiers principes. Enfin, la dernière partie présente les résultats des réflexions communes issue de cette thèse fai- sant le pont entre deux communautés scientifiques. L'utilisation d'une méthode spectrale originale pour l'analyse de phénomènes multi-échelles y est exposée. Elle est successivement développée puis appliquée pour mettre en évidence les mécanismes de saturation de la dynamo stellaire et de l'instabilité du gradient de température ionique dans les tokamaks. Un modèle unique traitant de l'interaction entre la turbulence et les écoulements de grande échelle est ensuite développé à la fois dans le contexte de la tachocline solaire et dans celui des tokamaks, formalisant l'analogie qui existe entre les deux objets de notre étude.

In this thesis we consider energy transport due to turbulence in the Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST), using a multi-scale framework based on local δf gyrokinetics. Transport is modelled globally by means of local flux-tube simulations at each magnetic flux surface. In view of the evidence indicating that turbulent ion transport can be substantially suppressed by rotation shear, our flux tubes span only electron-gyroradius scales. This both simplifies our physics model and reduces the computational resource requirements to a manageable level. Our electrostatic simulations of a MAST H-mode discharge exhibit turbulent electron heat transport comparable with experiment in the outer core region, and are broadly consistent with the paradigm of an electron temperature profile governed by pedestal height and critical electron temperature gradient. Neoclassical transport dominates the ions, and is also comparable with experiment. The two species are decoupled in the sense that the collisional equilibration between ions and electrons is small compared to the sources across most of the plasma. Focusing on a single flux surface in this region, still using both kinetic electrons and kinetic ions, we find that at early simulation times the heat flux "quasi-saturates" with the turbulence dominated by streamer-like radially elongated structures. However, the zonal fluctuation component continues to grow slowly until much later times, eventually leading to a new saturated state dominated by the zonal component. Simplifying further to an adiabatic ion model (which shows the same slow evolution behaviour), we find that in the final saturated state (which determines the macroscopic energy transport) the electron heat flux is approximately proportional to the collision rate. We outline an explanation of this effect based on zonalnonzonal interactions and a scaling of the zonal damping rate with electron-ion collisionality. Improved energy confinement with decreasing collisionality has previously been observed experimentally in STs, and is favourable towards the performance of future devices, which are expected to be hotter and thus less collisional.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'étude de l'auto-organisation des plasmas chauds magnétisés. Nous nous intéressons en particulier aux deux objets que sont les étoiles et les tokamaks. Nous les étudions à l'aide de simulations numériques en utilisant des codes premiers principes dans le contexte des phénomènes de turbulence, de transport et de confinement dans les plasmas. La première partie de cette thèse s'attache à donner une introduction sur les caractéristiques des plasmas des étoiles et des tokamaks, ainsi que sur les raisons qui nous ont poussé à les étudier conjointement. Puis, nous développons en deuxième partie des travaux appliqués aux étoiles. A l'aide de simulations numériques, nous étudions pour la première fois en géométrie sphérique et en 3D l'interaction des mouvements turbulents avec un champ magnétique interne dans le Soleil, dans la région de la tachocline qui agit comme une barrière de transport du moment cinétique. Nous montrons qu'un tel champ magnétique ne peut expliquer l'épaisseur de la tachocline que nous observons, et donnons des pistes de réflexion pour comprendre cette épaisseur. Nous explorons également dans cette partie les implications que l'environnement d'une étoile (en particulier le vent de l'étoile, et les planètes gravitant autour) peut avoir sur son organisation interne. Cette étude nous permet aussi d'étudier l'interaction des vents stellaires avec les magnétosphères planétaires qui agissent comme des barrières de transport pour la matière. Des travaux spécifiques aux tokamaks sont ensuite présentés dans une troisième partie. Nous y développons une étude numérique des mécanismes expérimentaux conduisant à la création de barrières de transport dans les tokamaks. Ces barrières de transport permettent l'accès à des régimes de fusion nucléaire performants. Pour la première fois, nous montrons théoriquement comment déclencher la formation de ces barrières dans des simulations turbulentes de codes premiers principes. Enfin, la dernière partie présente les résultats des réflexions communes issues de cette thèse faisant le pont entre deux communautés scientifiques. L'utilisation d'une méthode spectrale originale pour l'analyse de phénomènes multi-échelles y est exposée. Elle est successivement développée puis appliquée pour mettre en évidence les mécanismes de saturation de la dynamo stellaire et de l'instabilité du gradient de température ionique dans les tokamaks. Un modèle unique traitant de l'interraction entre la turbulence et les écoulements de grande échelle est ensuite développé à la fois dans le contexte de la tachocline solaire et dans celui des tokamaks, formalisant l'analogie qui existe entre les deux objets de notre étude
This thesis is part of the general study of self-organization in hot and magnetized plasmas. We focus our work on two specific objects : stars and tokamaks. We use first principle numerical simulations to study turbulence, transport and confinement in these plasmas. The first part of this thesis introduces the main characteristics of stellar and tokamak plasmas. The reasons for studying them together are properly detailed. The second part is focused on stellar aspects. We study the interactions between the 3D turbulent motions in the solar convection zone with an internal magnetic field in the tachocline (the transition region between the instable and stable zones in the Sun). The tachocline is a very thin layer (less than five percent of the solar radius) that acts as a transport barrier of angular momentum. We show that such an internal magnetic field is not likely to explain the observed thickness of the tachocline and we give some insights on how to find alternative mecanisms to constrain it. We also explore the effect of the environment of star on its structure. We develop a methodology to study the influence of stellar wind and of the magnetic coupling of a star with its orbiting planets. We use the same methodology to analyse the magnetic interaction between a stellar wind and a planetary magnetosphere that acts as a transport barrier of matter. Then, the third part is dedicated to fusion oriented research. We present a numerical investigation on the experimental mecanisms that lead to the development of transport barriers in the plasma. These barriers are particularly important for the design of high performance fusion devices. The creation of transport barriers is obtained in turbulent first principle simulations for the very first time. The collaboration between the two scientific teams lead to the results presented in the fourth part of this thesis. An original spectral method is developed to analyse the saturation of stellar convective dynamos and of the ion temperature gradient instability. We also develop a reduced model that tackles the interaction between turbulent motions, waves, and zonal and mean flows. The same model is applied to both the solar tachocline and tokamak turbulence, putting forth the strong analogy that exists between the two objects we studied

Kyoto University (京都大学)
0048
新制・課程博士
博士(エネルギー科学)
甲第11120号
エネ博第98号
新制||エネ||27(附属図書館)
22670
UT51-2004-L917
京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻
(主査)教授 近藤 克己, 教授 前川 孝, 助教授 中村 祐司
学位規則第4条第1項該当

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

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

La compréhension du transport d'impuretés dans le coeur des plasmas de tokamaks est un enjeu principal de la fusion par confinement magnétique. En effet les impuretés sont omni-présentes dans les tokamaks et leur présence dans le coeur a des effets négatifs sur le confinement du plasma (dilution, rayonnement). Récemment une attention particulière s'est portée sur le flux convectif turbulent dû au gradient de rotation toroïdale pour expliquer les profils plat/creux d'impuretés observés expérimentalement dans le coeur du plasma. Dans cette thèse une approche numérique a été adoptée avec l'utilisation entre autres de codes tels que NEO pour le transport néoclassique et GKW pour le transport turbulent, tout les deux incluant l'effet de la rotation toroïdale. Une comparaison du facteur de piquage du carbone (R/LnC) mesuré expérimentalement (dans le tokamak européen JET) et obtenu numériquement est faite pour un grand nombre de plasma en mode H (mode de confinement amélioré). La comparaison entre les mesures expérimentales de R/LnC et les résultats numériques donne lieu à deux constats. Premièrement la partie convective du flux correspondant au gradient de rotation toroïdale a un impact important sur R/LnC et principalement à valeurs élevées de ce gradient. Deuxièmement les simulations surestiment ce piquage dans le coeur du plasma où les profils expérimentaux sont creux. Ce désaccord, observé à haute collisionalité uniquement, est également obtenu pour le transport de moment ce qui pourrait être la signature d'un méchanisme de brisure de symmétrie (important pour le transport d'impureté et de moment) manquant
Understanding impurity transport in the core of tokamak plasmas is central to achieving controlled fusion. Indeed impurities are ubiquitous in these devices and their presence in the core are detrimental to plasma confinement (fuel dilution, Bremsstrahlung). Recently, specific attention was given to the convective mechanism related to the gradient of the toroidal rotation to explain experimental flat/hollow impurity profiles in the plasma core. In this thesis, up-to-date modelling tools (NEO for neoclassical transport and GKW for turbulent transport) including the impact of toroidal rotation are used to study both the neoclassical and turbulent contributions to impurity fluxes. A comparison of the experimental and modelled carbon density peaking factor (R/LnC) is performed for a large number of baseline and hybrid H-mode plasmas (increased confinement regimes) with modest to high toroidal rotation from the European tokamak JET. Confrontation of experimental and modelled carbon peaking factor yields two main results. First roto-diffusion is found to have a nonnegligible impact on the carbon peaking factor at high values of the toroidal rotation frequency gradient. Second, there is a tendency to overpredict the experimental R/LnC in the core inner region where the carbon density profiles are hollow. This disagreement between experimental and modelled R/LnC, closely related to the collisionality, is also observed for the momentum transport channel which hints at a common parallel symmetry breaking mechanism lacking in the simulations

Effects of large-scale topographic features on the benthic boundary layer (BBL) flow characteristics and on sediment transport are analysed in a natural shallow coastal site and in a laboratory flume. The main signature of flow/bedform interaction processes consists of largescale flow structures, generated downstream of the bedforms; these are characterised by alternating modules of lower and higher streamwise speeds than the mean flow. These structures modify the suspended sediment transport, generating high turbidity levels within macro-scale features of low flow speed, and the bedload transport, generating more frequent and larger bedload movements during macro-scale features of high flow speeds. These particularities result from variations in the turbulent bursting process within the macroturbulence structures. Ejection events generate increases in suspended sediment concentration; these are more frequent and more intense within the macro-scale structures of low flow speed. Sweeps are shown to generate most of the bedload transport; these events are dominant and are magnified during modules of increasing horizontal velocity. Enhanced (negative) contribution of outward and inward interaction events to the Reynolds stress, downstream of large-scale bedforms, compared to those reported for uniform BBLs, are observed in the field and laboratory investigations. This induces 'abnormally' low Reynolds stress values, which are believed to invalidate the use of the Reynolds stress parameter to predict sediment transport. Other aspects of the turbulence are little affected by the presence of bedforms upstream, such as the coupling between the turbulent velocities and the Reynolds stress, or, at the field site, the turbulent energy dissipation rate.

Barrières de transport (TB) sont un élément clé dans le contrôle de transport turbulent et atteindre la haute performance des ‘plasmas brûlants’. Les études théoriques abordent l’autorégulation de la turbulence comme une explication possible pour la formation de TB, mais une compréhension complète de ces dynamiques complexes est toujours manquante. Dans ce contexte, nous abordons l’auto-organisation dans le transport turbulent dans les plasmas de fusion dans le but de présenter une nouvelle compréhension de la dynamique des TB. Les outils numériques que nous utilisons des simulations de portée de la turbulence gyrocinétique plus complexe à simple turbulence des fluides 2D et prédateur-proie comme modèles.Deux principales caractéristiques de l'auto-organisation, les avalanches et les flux zonal (ZF), semblent contrôler transport à grande échelle. Dans la région de SOL (Scrape Off layer), événements avalancheux intermittents ne permettent pas séparation d'échelle dans le temps ou l'espace entre champs moyens et les modalités de fluctuation. Dans le bord (edge), la génération des doubles couches de cisaillement dans les profils de vitesse réduit le transport turbulent. Un modèle turbulent 2D pour la génération de ‘piedestal’, qui est non spécifique des plasmas de tokamak, a été mis au point, le piedestal étant localisée à l'interface entre les régions a différent amortissement d'écoulement zonal: edge et SOL. Les événements de relaxation quasi-périodiques sont étudiés réduisent le modèle à trois couplage des modes pour identifier l'interaction entre les streamers et les ZF et le rôle du Reynolds stress dans la génération et la saturation du TBs
Transport barriers (TB) are a key element in controlling turbulent transport and achieving high performance burning plasmas. Theoretical studies are addressing the turbulence self-regulation as a possible explanation for transport barrier formation but a complete understanding of such complex dynamics is still missing. In this context, we address self-organized turbulent transport in fusion plasmas with the aim of presenting a novel understanding of transport barriers dynamics. The numerical tools we use span simulations from the most complex gyrokinetic turbulence to simpler 2D fluid turbulence and predator-prey like models.Two features of self-organizations, avalanches and zonal flows (ZFs), appear to control large scale transport. In the SOL (Scrape Off Layer) , intermittent avalanche events do not allow for time or space scale separation between mean fields and fluctuation terms. In the edge, the generation of long living double shear layers in the profiles of the velocity reduces radial turbulent transport. Such radially distributed barriers govern profile corrugations. A 2D turbulent model for pedestal generation, which is not specific of Tokamak plasmas, has been developed, the pedestal being localized at the interface between regions with different zonal flow damping: the edge region, where zonal flows are weakly damped by collisions, and the SOL region characterized by zonal flow damping due to boundary conditions. Quasi-periodic relaxation events are studied reducing the model to three modes coupling to identify the interplay between streamers and ZFs and the role of Reynolds stress in the generation and saturation of TBs

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Physics, 2011.
Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (p. 171-178).
This thesis reports recent experimental studies of edge turbulence structure using gas-puff-imaging at high time resolution in a radially broad zone at the low-field-side of Alcator C-Mod[1], and highlights the connections between its characteristics and particle transport. Within the framework of this thesis a new detector system has been designed and built for viewing the steep gradient outboard midplane region at minor radii 0.9 < r/rma, < 1.1, where turbulence is postulated to be driven [2, 3]. The design is optimized for the study of edge and scrape-off-layer turbulence, based on previous studies of these regions. Analysis of the data from this diagnostic in Ohmic L-modes from the electron diamagnetic drift propagating turbulence in the closed field line region of the plasma edge shows a strong scaling of the fluctuation power 5/n with the density normalized to the tokamak density limit ne/ng; in addition, a critical physical scale is found at ... ~ 0.1, where the critical wavenumber is normalized to ps, the ion Larmor radius at the sound speed, also known as the drift scale. The characteristic size scale shows very little variation with operating parameters. The analysis of the physical scale includes spectral analysis, yielding robust spectral indices beta= ~4.5 for larger wavenumbers and a sensitive spectral shape for lower wavenumbers, and the first spectral transfer measurement of turbulence on C-Mod, showing that the critical scale feeds power into the turbulence. A connection is found to the quasi-coherent mode (QCM), a modelike edge fluctuation characteristic of the Enhanced D-Alpha H-mode, which also appears at ... ~ 0.1 and has decreased inverse transfer but greatly enhanced forward transfer compared to the L-mode levels.
by István Cziegler.
Ph.D.

Cette thèse traite des modèles de turbulence à quatre équations de transport pour la prévision des flux de chaleur turbulents. Des modèles du type k ‒ ψ, k[indice ϑ] ‒ ψ[indice ϑ] sont considérés (ψ = k[indice a]ε[indice b] et ψ[indice ϑ] = k[exposant p, indice ϑ]ε[exposant q, indice ϑ]). Des contraintes ont été développées sur les constantes du modèle de manière à satisfaire certains comportements physiques de base : écoulements isotropes, homogènes cisaillés, de couche limite soumise ou non à un gradient de pression et de similitude. Une étude des modèles existants dans la littérature a montré qu'ils sont incapables de satisfaire toutes les contraintes, justifiant le développement d'un nouveau modèle. Un modèle de la forme k ‒ kL, k[indice ϑ] ‒ k[indice ϑ]L[indice ϑ] a été développé. Les constantes du modèle ont été fixées d'après les contraintes déjà définies. Le modèle complet a d'abord été appliqué sur les écoulements de similitude. Des tests du modèle dynamique k ‒ kL effectués avec le code elsA ont montré les excellentes performances du modèle qui s'est avéré meilleur que la plupart des modèles existants.

Collisionless turbulence is common in astrophysical magnetic fields and plasmas. The determination of the transport of high-energy charged particles both parallel and perpendicular to the average magnetic field in such a system is of considerable interest. It is recognized that the turbulent magnetic field has important effects on the transport of charged particles and that the properties of different turbulence models may significantly affect the resulting transport properties. A number of different magnetic turbulence models have been proposed in the last several decades. We present here the results of a study of charged particle transport in two new turbulent magnetic field models that have not been previously considered and include newly described characteristics. We investigate the effect of energetic charged particle motion in these new models. We use a method (D A Roberts, 2012) that optimizes phase angles of a set of circularly polarized, transverse modes with Kolmogorov power-law enveloped amplitudes to construct magnetic field fluctuations with nearly constant |B| but with large variances in the components Bx, By, Bz, as is observed in the Solar Wind. Charged particle scattering coefficients are determined through computer simulations. The results are compared with those from previous isotropic and composite turbulence models. We studied charged particle transport in the turbulent magnetic field with global anisotropy and compared with the isotropic turbulence. We found that the magnetic turbulence with global anisotropy and isotropy have similar effects on charged particle transport from 1𝑀𝑒𝑉 up to 10𝐺𝑒𝑉. We proposed a general framework for a multi-scale synthesis with the scale- dependent, localized anisotropic feature incorporated. We run test particle simula- tions in the field by the two-scale algorithm to calculate the transport coefficients for charged particles with different energies. We found that the local anisotropy has the significant difference from the previous model in the effect on charged particle transport. The parallel transport (𝑘∥) decreases while the perpendicular transport (𝑘⊥) increases compared with the isotropic and globally anisotropic field models, the difference is enhanced as the local anisotropy is enhanced, and there is an order of magnitude increase in the ratio of perpendicular to parallel transport coefficients. We proposed a simple power spectrum synthesis method based on the Fourier analysis to extract the large and small scale power spectrum from any single space- craft observation with a long enough period and a high sampling frequency. We applied the method to the solar wind measurement by the magnetometer onboard the ACE spacecraft and reconstructed the large scale isotropic 2D spectrum and the small scale anisotropic 2D spectrum.

Dans cette these, nous nous interessons principalement a l'auto-organisation de la turbulence et a son implication dans le transport de particules. Le cadre d'etude choisi est la turbulence generee par les ondes de derive dissipatives, qui est un probleme generique en turbulence plasma. Nous analysons le modele a deux champs qui decrit l'evolution des fluctuations de densite et du potentiel electrostatique dans un plasma inhomogene magnetise, introduit par a. Hasegawa et m. Wakatani (hw). Ce modele est considere comme un paradigme pour le transport en turbulence 2d genere par les ondes de derives. L'utilisation d'outils statistiques adaptes a l'analyse spatio-temporelle de la turbulence (decomposition biorthogonale) nous permet de developper une methodologie pour extraire et caracteriser les structures coherentes associees au regime de turbulence developpee. Cette methode appliquee aux donnees de simulations du modele hw a permis de reveler l'existence de structures fortement correlees spatialement, dont la duree de vie est nettement superieure au temps de decorrelation et robuste par rapport aux perturbations exterieures. Le role joue par ces structures coherentes dans le transport de particules a aussi ete clarifie. L'analyse statistique du flux de particules a montre que ce flux est essentiellement associe aux fluctuations advectees par les vortex de grandes echelles. Cette technique a ete appliquee aux donnees d'un modele de turbulence du plasma de bord de tokamak, induite par l'instabilite d'interchange. En marge de cette activite, nous nous interessons a la generalisation des equations du systeme hw aux plasmas poussiereux. Enfin, nous nous penchons sur le probleme de l'advection de particules dans le regime de transition a la turbulence. Un modele analogue au modele de lorentz est deduit pour le systeme hw. Ce modele permet d'etudier le lien entre les differents regimes du potentiel et le transport de particules advectees par celui-ci.

Les connaissances sur le sujet du transport magnétisé n'ont que très peu évolué dans le domaine des plasmas froids depuis les années 1960 et ne suffisent plus pour expliquer le comportement complexe du plasma que l'on rencontre dans les sources magnétisées basse-pression actuellement en développement. Les théories et les méthodes développées pour l'étude du transport magnétisé dans le cadre de la recherche sur la production d'énergie par fusion thermonucléaire sont inadaptées pour décrire la dynamique non-ambipolaire de ces plasmas. En effet, dans ces sources, les ions ne sont que faiblement magnétisés, les collisions avec les neutres influencent significativement le transport tandis que les parois, puits à particules omniprésents, contrôlent les profils d'équilibres. Pour répondre à cette problématique, cette thèse revisite la modélisation des plasmas froids et propose un nouveau modèle fluide décrivant le transport magnétisé dans le plan perpendiculaire au champ magnétique. Nous adressons la complexité de ce transport à travers l'élaboration d'un modèle fluide 2D1/2et de son schéma numérique, sans approximation d'ordering entre les longueurs caractéristiques du plasma magnétisé (i. E. La dimension du plasma L, les libres parcours moyens lambda i,e et les rayons de Larmor ioniques et électroniques rho Li,e). Les équations sont résolues dans le plan perpendiculaire au champ magnétique où les asymétries et les inhomogénéités représentatives du transport magnétisé apparaissent, tandis que les conditions aux limites (parallèles et transverses) sont dérivées de la théorie classique de gaine. La considération de l'inertie des particules permet de plus de capturer la dynamique transitoire du plasma ainsi que certains types d'instabilités. Le modèle, supportant une large gamme de topologies et d'intensités de champ magnétique, est appliqué aux configurations de deux sources d'ions négatifs. Les asymétries et inhomogénéités observées expérimentalement sont reproduites et, dans une géométrie représentant la Scrape-of-Layer des tokamaks, le modèle est capable de simuler la turbulence d'interchange qui domine le transport perpendiculaire du plasma de bord
The knowledge on the subject of magnetized transport have remained little changed in the field of cold plasmas since the 1960s and is no longer sufficient to explain the complex behavior of the plasma which is found in low-pressure magnetized sources currently under development. Theories and methods developed for the study of magnetized transport in the context of the thermonuclear fusion energy research are inadequate to describe the nonambipolar dynamics of these plasmas. Indeed, in these sources, ions are weakly magnetized, collisions with neutral significantly influence the transport whereas walls are perfect sinks for particles and control equilibrium profiles. To address this problematic, this thesis revisits the cold plasmas modelling and proposes a new model describing the magnetized fluid transport in the plane perpendicular to the magnetic field. We address the complexity of this transport through the development of a 2D+1/2 fluid model and its numerical scheme without approximation on the ordering between characteristic lengths scales of magnetized plasmas (i. E. The plasma size Lambda, the mean free path lai,e and Larmor radii of ions and electrons rho Li,e). The equations are solved in the plane perpendicular to the magnetic field where asymmetries and inhomogeneities representative of the magnetized transport appear, while the boundary conditions (parallel and transverse) are derived from the classical sheath theory. Moreover, the consideration of particles inertia makes the model able to capture the plasma transient dynamics and certain types of instabilities. The model, which supports a wide range of magnetic field strengths and topologies, is applied to the configurations of two negative ions sources. Asymmetries and inhomogeneities observed experimentally are recovered and, in a geometry representing the Scrape-Of-Layer of tokamaks, the model is able to simulate the interchange turbulence which is thought to dominate the perpendicular transport of the edge plasma

L'objectif de la fusion par confinement magnétique, et notamment du tokamak, est de produire de l'énergie à partir des réactions de fusion nucléaire, dans un plasma à faible densité et haute température. Expérimentalement, une amélioration de la performance des tokamaks a été observée en présence de rotation toroïdale. Or, les sources extérieurs de quantité de mouvement seront très limitées dans les futurs tokamaks, et notamment ITER. Une compréhension de la physique de la génération intrinsèque de rotation toroïdale permettrait donc de prédire les profils de rotation dans les expériences futures. Parmi les mécanismes envisagés, on s'intéresse ici à la génération de rotation par la turbulence, qui domine le transport de la chaleur dans les tokamaks. Les plasmas de fusion étant faiblement collisionnels, la modélisation de cette turbulence suppose un modèle cinétique décrivant la fonction de distribution des particules dans l'espace des phases à six dimensions (position et vitesse). Cependant, ce modèle peut être réduit à cinq dimensions pour des fréquences inférieures à la fréquence cyclotronique des particules. Le modèle gyrocinétique qui découle de cette approximation est alors accessible avec les ressources numériques actuelles. Les travaux présentés portent sur l'étude du transport de quantité de mouvement toroïdale dans les plasmas de tokamak, dans le cadre du modèle gyrocinétique. Dans un premier temps, nous montrons que ce modèle réduit permet une description précise du transport de quantité de mouvement en dérivant une équation locale de conservation. Cette équation est vérifiée numériquement à l'aide du code gyrocinétique GYSELA
The goal of magnetic confinement devices such as tokamaks is to produce energy from nuclear fusion reactions in plasmas at low densities and high temperatures. Experimentally, toroidal flows have been found to significantly improve the energy confinement, and therefore the performance of the machine. As extrinsic momentum sources will be limited in future fusion devices such as ITER, an understanding of the physics of toroidal momentum transport and the generation of intrinsic toroidal rotation in tokamaks would be an important step in order to predict the rotation profile in experiments. Among the mechanisms expected to contribute to the generation of toroidal rotation is the transport of momentum by electrostatic turbulence, which governs heat transport in tokamaks. Due to the low collisionality of the plasma, kinetic modeling is mandatory for the study of tokamak turbulence. In principle, this implies the modeling of a six-dimensional distribution function representing the density of particles in position and velocity phase-space, which can be reduced to five dimensions when considering only frequencies below the particle cyclotron frequency. This approximation, relevant for the study of turbulence in tokamaks, leads to the so-called gyrokinetic model and brings the computational cost of the model within the presently available numerical resources. In this work, we study the transport of toroidal momentum in tokamaks in the framework of the gyrokinetic model

Dans cette these, on etudie la modelisation au second-ordre des jets turbulents a densite variable en moyenne de favre et en moyenne de reynolds. Tout d'abord, les problemes relatifs a la modelisation des jets a densite constante sont abordes. Ensuite, les modelisations des phenomenes physiques engendres par les variations de densite sont etudiees. Pour chaque approche statistique, un modele est mis au point a partir des mesures obtenues dans les jets axisymetriques etudies a l'i. M. S. T. Les comparaisons entre les calculs et l'experience sont satisfaisantes pour les deux approches, de meilleurs resultats etant toutefois obtenus avec le modele en moyenne de reynolds, du fait de l'adjonction de termes dans l'equation du taux de dissipation de l'energie cinetique de la turbulence. Enfin, cet outil numerique a ete utilise pour etudier les echelles caracteristiques de la turbulence dans la zone de pseudo-similitude des jets plan et axisymetrique a densite variable. Des relations analytiques ont d'abord ete developpees, puis comparees aux previsions numeriques et aux quelques mesures disponibles. Cette etude a permis de montrer clairement que le parametre principal qui gouverne ces echelles est le flux de quantite de mouvement impose dans la section d'ejection de ces jets

In the margins of continents there are the coastal zones, regions of remarkable biological productivity. Coastal zones include, among others, wetlands, that are land areas inundated permanently o seasonally, characterized by the presence of aquatic vegetation adapted to the hydric soil. Therefore it is necessary to consider the effect of aquatic canopies in wetlands investigations. These areas are governed by physical forces originated from tidal currents, waves, winds, night convection and floods. The aim of this thesis is to study the sediment transport in wetlands in which fluid is dominated by a) progressive waves, b) nearly isotropic turbulence and c) extreme flooding events
Als marges dels continents hi ha les zones costaneres, regions d’altra productivitat biològica. Les zones costaneres inclouen, entre d’altres, els aiguamolls, que són zones terrestres inundades permanentment o estacionalment, caracteritzades per la presència de vegetació aquàtica adaptada a sols hídrics. És per tant necessari considerar l’efecte de les praderies aquàtiques en les investigacions en aiguamolls. Aquestes àrees estan governades per forces físiques originades per corrents de marees, ones, vent, conveccions nocturnes i inundacions. L’objectiu d’aquesta tesi és estudiar el transport de sediments en aiguamolls on el fluid és dominat per a) ones progressives, b) turbulència gairebé isòtropa i c) inundacions extremes

L'écoulement d'un fluide au-dessus d'un lit granulaire peut provoquer son érosion lorsque la contrainte exercée dépasse une valeur seuil. La présence d'un obstacle immergé dans l'écoulement induit une perturbation, entraînant une survitesse locale du fluide et une plus grande contrainte. L'érosion est alors localement renforcée, phénomène également appelé affouillement. Dans ce travail, nous étudions expérimentalement cette situation d'érosion complexe à l'échelle du laboratoire. Nous nous intéressons en particulier à la question du seuil d'affouillement, c'est-à-dire la vitesse d'approche du fluide minimale nécessaire à l'apparition de l'érosion au voisinage de l'obstacle. Ce faisant, nous observons que deux motifs d'érosion différents peuvent se développer au voisinage d'un obstacle : si le classique affouillement en fer à cheval au pied de l’obstacle domine aux vitesses d'écoulement élevées, on observe pour des vitesses plus faibles un nouveau motif en aval, que nous appelons affouillement en oreilles de lapin. Les seuils d'apparition de ces deux motifs d'érosion sont mesurés visuellement pour différents grains et obstacles. En complément de ces observations, nous utilisons une technique de relevé topographique par profilométrie laser. Le suivi temporel de la topographie du lit au cours du processus d'affouillement nous permet de caractériser la morphologie des deux types de motifs, et de comprendre la compétition entre leurs dynamiques d'apparition par la mesure des temps caractéristiques de formation. L'affouillement en oreilles de lapin est dans la plupart des cas perturbé dans son développement par la formation plus rapide de l'affouillement en fer à cheval. L'étude de l'écoulement, s'appuyant notamment sur des mesures de vélocimétrie par image de particules (PIV), nous renseigne sur les contraintes exercées par le fluide sur les grains, avec ou sans obstacle. Nous pouvons ainsi expliquer les valeurs de seuil d'apparition mesurées pour les deux motifs d'affouillement, qui sont associés à différentes structures de l'écoulement
Erosion occurs when a fluid flowing over a granular bed exerts a large enough shear stress. When the fluid encounters an obstacle, the modification of the flow leads to a local over speed, and thus on an increase of the shear stress in the vicinity of the obstacle. As a result, the erosion is locally enhanced and is called scouring. In this work, we investigate this complicated situation experimentally at the laboratory scale. In particular, we address the question of the scouring threshold, i.e., the minimum critical approach velocity of the fluid leading to erosion in the vicinity of the obstacle. We report the existence of two different scouring patterns: the traditional horseshoe scour at the base of the obstacle, which dominates at large flow velocities, and we also highlight another scouring pattern downstream, which is called rabbit ear scour, at moderate speeds. We determine the onset of both erosion patterns visually using different grains and obstacles. Besides, we measure the bed topography over time using a laser profilometer. By monitoring the bed topography during the scouring process, we characterize the morphology of both scouring patterns and rationalize their competitive dynamics by measuring their formation timescale. In most cases, the rabbit ear scour development is inhibited by the faster horseshoe scour growth. The characterization of the flow using Particles Image Velocimetry (PIV), provides information on the shear stress exerted by the fluid flow on the grains, with and without obstacle. We can thus rationalize the threshold values for both scouring patterns, associated with different flow structures

Le transport de particules solides en suspension dans un écoulement turbulent a été étudié dans des modèles réduits de décanteurs constitués d'une marche inclinée en entrée et d'un déversoir en sortie. Le champ des vitesses moyennes et fluctuantes a été obtenu par anémométrie laser à effet Doppler notamment dans la zone de recirculation due à la marche. Des injections de particules ont permis de déterminer des pourcentages de sortie en matière solide ainsi que la répartition surfacique des particules déposées. Ces résultats expérimentaux ont permis de connaître l'influence de la géométrie sur le fonctionnement des décanteurs. Les résultats relatifs au champ des vitesses ont été comparés à ceux d'un modèle de turbulence bidimensionnel vertical (code VEST). Ceux relatifs au transport de particules ont été confrontés aux résultats d'un modèle tridimensionnel eulérolagrangien de simulations de trajectoires de particules solides (code TRAPS) utilisant le champ moyen calculé par VEST. Des résultats satisfaisants ont été obtenus aussi bien pour les pourcentages de sortie que pour la répartition surfacique des particules sédimentées
Transport of solid particles in suspension within a turbulent flow has been studied in physical models of settling tanks consisting of a sloping backward facing step and an outlet weir. Mean and fluctuating velocities have been measured by laser Doppler anemometry particularly in the recirculation region generated by the step. Particles injection allowed to determine percentages of outgoing particles as well as the repartition of sedimented particles. Thèse experimental results were used to assess the influence of the geometry on the settling tank efficiency. Experimental results on velocity fields were compared with a vertical two-dimensional turbulence model (VEST code). Results relative to the transport of particles were confronted to the output of an eulero-lagrangian three-dimensional model for the simulation of solid particles trajectories (TRAPS code). This code uses as input the mean field calculated by VEST. A good agreement has been obtained on outgoing percentages as well as on the repartition of sedimented particles

Ce travail traite du contrôle passif des riblets sur la couche limite compressible en Simulation des Grandes Echelles. La méthode des conditions aux limites immergées a permis d'implémenter ces rainures longitudinales. Une base de données de la turbulence pariétale pour un écoulement fortement compressible a été établie avant de contrôler l'écoulement. Nous avons obtenu une réduction de la traînée en régimes subsonique et supersonique. Des critères qualitatifs du contrôle effectif par les rainures ont été validés. Les paramètres critiques sont relevés pour obtenir la réduction de la traînée.

Thesis (Ph.D.) -- University of Maryland, College Park, 2009.
Thesis research directed by: Dept. of Physics. Title from t.p. of PDF. Includes bibliographical references. Published by UMI Dissertation Services, Ann Arbor, Mich. Also available in paper.

Cette thèse est consacrée aux écoulements homogènes de bulles, ainsi qu'à leur couplage avec le transport d'un scalaire et la turbulence. Elle s'intéresse plus spécifiquement aux effets de taille finie, des interactions hydrodynamiques et de la microstructure de la suspension qui sont étudiés à l'aide de simulations numériques directes à l'échelle d'une seule bulle. La dynamique d'une suspension laminaire de bulles induite par la seule gravité est d'abord revisitée. L'influence de la fraction volumique sur la vitesse de dérive des bulles est établie analytiquement et numériquement pour une suspension parfaitement ordonnée, puis des ressemblances entre suspensions ordonnées et suspensions désordonnées sont mises en évidence. Ces résultats sont ensuite mis à profit pour la modélisation du transport d'un scalaire passif au sein d'une suspension laminaire, tel que décrit par une diffusivité effective tensorielle, et des différences essentielles entre systèmes ordonnés et systèmes désordonnés concernant le transport de scalaire sont mises en exergue. Enfin, la turbulence est prise en compte dans les simulations et son interaction avec une bulle de taille finie est caractérisée. Il est montré que le comportement dynamique d'une bulle de taille comparable à la microéchelle de Taylor ressemble qualitativement à celui d'une microbulle, avec, notamment, une préférence pour certaines régions caractéristiques de l'écoulement. Une définition de l'écoulement vu par la bulle compatible avec les modèles standards de masse ajoutée et de portance est finalement proposée
This thesis is devoted to the study of homogeneous bubbly flows and their coupling with scalar transport and turbulence. It focuses on the effects of finite size, hydrodynamic interactions, and suspension microstructure, which are investigated using direct numerical simulations at the bubble scale. The dynamics of laminar buoyancy-driven bubbly suspensions is first revisited. More specifically, the effect of volume fraction on the bubble drift velocity is clarified by connecting numerical results to theory for dilute ordered systems, and similarities between perfectly ordered and free disordered suspensions are evidenced. These results are then used for the modeling of passive scalar transport in laminar suspensions as described by an effective diffusivity tensor, and crucial differences between ordered and disordered systems with respect to scalar transport are highlighted. Lastly, turbulence is included in the simulations, and its interaction with a finite-size bubble is characterized. The behavior of a bubble as large as Taylor microscale is shown to share a number of common features with that of a microbubble, most notably, the flow sampled by the bubble is biased. A definition of the liquid flow seen by the bubble, as it enters in usual models for the added mass and the lift forces, is finally proposed

The increasing demand for new energy production has become the constant leitmotif of the society we live in. The impossibility of meeting such request in an economically feasible and environmentally friendly manner within the existing portfolio of options is now a global self-awareness. The International Energy Agency has been thoroughly documenting through its reports during the last years that the known reserves of natural gas and oil will be exhausted in decades, due to overpopulation and increasing energy demand. Consequently, a crucial issue will soon concern supply problems. This is where the research on fusion as energy source enters the picture. In order to demonstrate the feasibility of fusion as an energy source, the international scientific community has devoted countless efforts to the research on controlled thermonuclear fusion. The main and biggest experiment under construction, ITER, is the result of the cooperation among many countries throughout the world and it will be a test bench for fusion physics and fusion engineering. Among the different magnetic configurations suitable for fusion devices, the reversed-field pinch has demonstrated to be an excellent tool for plasma physics studies, although it is not accounted as a viable device for commercial energy production. The RFX-mod experiment hosted by Consorzio RFX in Padova is the biggest RFP device in the world. The research activity that will be presented in this thesis has been developed mainly at RFX-mod in Padova but has also involved the participation to an experimental campaign on the COMPASS tokamak in Prague. The research activity that will be presented in this thesis focuses on the characterization of 3D effects on transport mechanisms at the edge region of fusion plasmas in RFX-mod. The device is highly versatile: it can be operated both in reversed-field pinch and in tokamak magnetic configuration. A detailed description of transport properties at the plasma edge in both configurations will be given in the development of the thesis. The approach that will be followed can be described in terms of a twofold itinerary shared between the investigation of electrostatic fluctuations of transport properties through insertable probes and the study of magnetic topology modifications due to spontaneous 3D processes. The thesis is organized as follows: Part I, Introduction. In the first part of the thesis, all the background information needed for the development of the work will be introduced. In chapter 1 the concept of plasma and fusion physics will be discussed together with a detailed description of the two magnetic configurations for fusion devices relevant for analyses: reversed-field pinch (RFP) and tokamak. In chapter 2 the RFP dynamics will be described in details by introducing Taylor relaxation theory and the two main topologies also experimentally observed: the Single Helicity (SH) and the Multiple Helicity (MH) states. Then, RFX-mod edge region will be specifically described and the main tools used in the analyses will be introduced. The chapter will close with the introduction of a comparison between RFP and tokamak’s edge region through the analogy of a common 3D structure when external magnetic perturbations are applied. Part II, Transport analysis. In chapter 3 the two experimental configurations in which RFX-mod operates will be presented. The insertable U-probe used in the experiments will be described together with the theory upon which the collection of measurements relies. The investigation of electrostatic fluctuations of transport properties at the edge will be discussed. Studies on transport mechanism around different topological regions in presence of an externally applied magnetic perturbation will be shown for both reversed-field pinch and tokamak configuration in the RFX-mod device. Part III, Topology analysis. The study of magnetic topology modifications develops through analyses of spontaneous magnetic reconnection events in reversed-field pinch magnetic configuration. In chapter 4 reconnection models will be briefly discussed. Then, crash events in RFX-mod will be presented and the adopted analysis technique will be thoroughly explored. In the second part of the chapter the ion energy analyzer will be described together with its application in measurements of ion temperature profile in COMPASS tokamakand in RFX-mod. Part IV, Conclusions. In chapter 5 the results of the thesis are collected and discussed. In conclusion, a section entitled Summary and future perspectives is added where the main results are tautly summarized in view of future perspectives of research. Part V, Appendixes. In Appendix A a detailed description of MagnetoHydroDynamics framework for plasma physics is given. In Appendix B transport equations will be treated in details.
Il crescente aumento nella richiesta di produzione energetica è diventato un costante leitmotif che caratterizza la società in cui viviamo. L'impossibilità di riuscire a soddisfare tali richieste sfruttando opzioni già esistenti che siano economicamente vantaggiose ed al contempo rispettino l’ambiente, è ormai una consapevolezza globalmente diffusa. La International Energy Agency ha esaustivamente documentato attraverso i suoi report annuali che le riserve di gas naturale e combustibile fossile si esauriranno nel giro di qualche decade a causa della sempre più crescente richiesta di energia. Come provvedere a soddisfare le esigenze energetiche di una popolazione mondiale in continuo aumento diventerà ben presto un problema critico. E' all'interno di questo quadro globale che entra in gioco la ricerca sulla fusione come risorsa energetica. Al fine di poter dimostrare la sfruttabilità della fusione nucleare quale risorsa energetica, la comunità scientifica internazionale ha da anni continuato ad investire nella ricerca sulla fusione termonucleare controllata. Ad oggi è nelle fasi finali di costruzione il più grande esperimento che coinvolga trasversalmente ricercatori da ogni parte del mondo. L'esperimento è denominato ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) e rappresenterà un banco di prova per la fisica della fusione e l’ingegneria. Tra le possibili configurazioni magnetiche adottabili sperimentalmente in una macchina da fusione, quella a campo magnetico rovesciato si è rivelata essere un eccellente strumento per studiare la fisica del plasma e le innumerevoli sfide scientifiche che essa pone. Tuttavia, per svariati motivi non è previsto l'utilizzo di tale configurazione in un reattore a fusione che produca energia a fini commerciali. L'esperimento RFX-mod ospitato presso il Consorzio RFX a Padova è il reversed-field pinch (RFP) più grande al mondo. L'attività di ricerca che verrà presentata in questo lavoro di tesi è stata svolta principalmente a Padova su RFX-mod ma ha anche previsto e contemplato la partecipazione ad una campagna sperimentale sul tokamak COMPASS a Praga. L’attività di ricerca che verrà presentata in questa tesi si concentra sulla caratterizzazione degli effetti 3D sui meccanismi di trasporto nella regione più esterna del plasma di RFX-mod. La macchina risulta essere estremamente versatile in quanto sono possibili operazioni in configurazione a campo rovesciato e in configurazione tokamak. Nello svolgimento della tesi verrà fornita una descrizione dettagliata delle proprietà di trasporto al bordo del plasma in entrambe le configurazioni magnetiche. L'approccio che verrà seguito può essere descritto in termini di un duplice percorso condiviso tra l'investigazione delle fluttuazioni elettrostatiche delle proprietà di trasporto effettuato attraverso l'utilizzo di sonde inseribili nel plasma e lo studio dei cambiamenti della topologia magnetica dovuti a meccanismi spontanei di tipo 3D. La tesi viene così organizzata: Parte I, Introduzione. Nella prima parte della tesi verranno introdotte tutte le nozioni di base utili allo svolgimento del lavoro. Nel capitolo 1 sarà discusso il concetto di plasma e fisica della fusione assieme ad una descrizione dettagliata delle due configurazioni magnetiche rilevanti ai fini delle analisi effettuate: la configurazione reversed-field pinch (RFP) e tokamak. Nel capitolo 2 la dinamica di un RFP verrà dettagliatamente descritta attraverso la teoria di Taylor. Inoltre verranno discussi gli stati a singola e multipla elicità (stati SH e MH), caratteristici della dinamica di un RFP. Successivamente verrà descritta la regione più esterna del plasma di RFX-mod, anche attraverso gli strumenti principali utilizzati nelle analisi effettuate. Il capitolo si concluderà quindi con l'introduzione di una analogia, che sarà dominante in tutto il corpo della tesi, tra la regione esterna di un plasma di tipo RFP e di uno di tipo tokamak durante esperimenti che prevedano l'applicazione di perturbazioni magnetiche. Parte II, Analisi di trasporto. Il capitolo 3 si apre con la presentazione delle due configurazioni sperimentali adottate per RFX-mod ai fini delle analisi di trasporto. Negli esperimenti è stata utilizzata la sonda inseribile U-probe, che verrà descritta successivamente assieme alla teoria su cui si basano le misure da essa raccolte. Verranno quindi discussi i risultati derivanti dall'investigazione delle fluttuazioni elettrostatiche nella regione di bordo del plasma. Verranno di seguito presentati gli studi sui meccanismi di trasporto in differenti regioni topologiche in presenza di una perturbazione magnetica esternamente applicata. Tali risultati verranno mostrati per esperimenti condotti su RFX-mod sia in configurazione reversed-field pinch che in configurazione tokamak. Parte III, Analisi topologiche. Lo studio dei cambiamenti della topologia magnetica si sviluppa attraverso l'analisi di eventi spontanei di riconnessione magnetica in configurazione a campo rovesciato. Nel capitolo 4 verranno inizialmente discussi alcuni modelli di riconnessione magnetica. Verranno quindi presentati i cosiddetti eventi di crash all'interno di RFX-mod e verrà dettagliatamente descritta la tecnica di analisi adottata. Nella seconda parte del capitolo verranno descritti gli esperimenti effettuati sul tokamak COMPASS e su RFX-mod sfruttando un'altra sonda inseribile che ha lo scopo di analizzare il profilo di temperatura ionica. Parte IV, Conclusioni. Nel capitolo 5 sono raccolti e discussi i risultati della tesi. Infine, viene fornita una sezione in cui i principali risultati sono trattati sinteticamente insieme ai problemi rimasti aperti in vista di future prospettive di ricerca. Parte V, Appendici. In Appendice A è possibile trovare una descrizione dettagliata del formalismo della Magnetoidrodinamica mentre in Appendice B vengono trattate in dettaglio le equazioni per il trasporto utili ai fini della tesi.