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Добірка наукової літератури з теми "HPC plasma turbulence simulations"

Автор: Grafiati
Опубліковано: 8 червня 2024

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Зміст

  1. Статті в журналах
  2. Дисертації
  3. Частини книг
  4. Тези доповідей конференцій
  5. Звіти організацій

Статті в журналах з теми "HPC plasma turbulence simulations":

1

Bouzat, Nicolas, Camilla Bressan, Virginie Grandgirard, Guillaume Latu, and Michel Mehrenberger. "Targeting Realistic Geometry in Tokamak Code Gysela." ESAIM: Proceedings and Surveys 63 (2018): 179–207. http://dx.doi.org/10.1051/proc/201863179.

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Анотація:
In magnetically confined plasmas used in Tokamak, turbulence is respon-sible for specific transport that limits the performance of this kind of reactors. Gyroki-netic simulations are able to capture ion and electron turbulence that give rise to heat losses, but require also state-of-the-art HPC techniques to handle computation costs. Such simulations are a major tool to establish good operating regime in Tokamak such as ITER, which is currently being built. Some of the key issues to address more re- alistic gyrokinetic simulations are: efficient and robust numerical schemes, accurate geometric description, good parallelization algorithms. The framework of this work is the Semi-Lagrangian setting for solving the gyrokinetic Vlasov equation and the Gy-sela code. In this paper, a new variant for the interpolation method is proposed that can handle the mesh singularity in the poloidal plane at r = 0 (polar system is used for the moment in Gysela). A non-uniform meshing of the poloidal plane is proposed instead of uniform one in order to save memory and computations. The interpolation method, the gyroaverage operator, and the Poisson solver are revised in order to cope with non-uniform meshes. A mapping that establish a bijection from polar coordinates to more realistic plasma shape is used to improve realism. Convergence studies are provided to establish the validity and robustness of our new approach.
2

Veltri, P., G. Nigro, F. Malara, V. Carbone, and A. Mangeney. "Intermittency in MHD turbulence and coronal nanoflares modelling." Nonlinear Processes in Geophysics 12, no. 2 (February 9, 2005): 245–55. http://dx.doi.org/10.5194/npg-12-245-2005.

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Анотація:
Abstract. High resolution numerical simulations, solar wind data analysis, and measurements at the edges of laboratory plasma devices have allowed for a huge progress in our understanding of MHD turbulence. The high resolution of solar wind measurements has allowed to characterize the intermittency observed at small scales. We are now able to set up a consistent and convincing view of the main properties of MHD turbulence, which in turn constitutes an extremely efficient tool in understanding the behaviour of turbulent plasmas, like those in solar corona, where in situ observations are not available. Using this knowledge a model to describe injection, due to foot-point motions, storage and dissipation of MHD turbulence in coronal loops, is built where we assume strong longitudinal magnetic field, low beta and high aspect ratio, which allows us to use the set of reduced MHD equations (RMHD). The model is based on a shell technique in the wave vector space orthogonal to the strong magnetic field, while the dependence on the longitudinal coordinate is preserved. Numerical simulations show that injected energy is efficiently stored in the loop where a significant level of magnetic and velocity fluctuations is obtained. Nonlinear interactions give rise to an energy cascade towards smaller scales where energy is dissipated in an intermittent fashion. Due to the strong longitudinal magnetic field, dissipative structures propagate along the loop, with the typical speed of the Alfvén waves. The statistical analysis on the intermittent dissipative events compares well with all observed properties of nanoflare emission statistics. Moreover the recent observations of non thermal velocity measurements during flare occurrence are well described by the numerical results of the simulation model. All these results naturally emerge from the model dynamical evolution without any need of an ad-hoc hypothesis.
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Sharma, A. Y., M. D. J. Cole, T. Görler, Y. Chen, D. R. Hatch, W. Guttenfelder, R. Hager, et al. "Global gyrokinetic study of shaping effects on electromagnetic modes at NSTX aspect ratio with ad hoc parallel magnetic perturbation effects." Physics of Plasmas 29, no. 11 (November 2022): 112503. http://dx.doi.org/10.1063/5.0106925.

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Анотація:
Plasma shaping may have a stronger effect on global turbulence in tight-aspect-ratio tokamaks than in conventional-aspect-ratio tokamaks due to the higher toroidicity and more acute poloidal asymmetry in the magnetic field. In addition, previous local gyrokinetic studies have shown that it is necessary to include parallel magnetic field perturbations in order to accurately compute growth rates of electromagnetic modes in tight-aspect-ratio tokamaks. In this work, the effects of elongation and triangularity on global, ion-scale, linear electromagnetic modes are studied at National Spherical Torus Experiment (NSTX) aspect ratio and high plasma β using the global gyrokinetic particle-in-cell code XGC. The effects of compressional magnetic perturbations are approximated via a well-known modification to the particle drifts that was developed for flux-tube simulations [Joiner et al., Phys. Plasmas 17, 072104 (2010)], without proof of its validity in a global simulation, with the gyrokinetic codes GENE and GEM being used for local verification and global cross-verification. Magnetic equilibria are re-constructed for each distinct plasma profile that is used. Coulomb collision effects are not considered. Within the limitations imposed by the present study, it is found that linear growth rates of electromagnetic modes (collisionless microtearing modes and kinetic ballooning modes) are significantly reduced in a high-elongation and high-triangularity NSTX-like geometry compared to a circular NSTX-like geometry. For example, growth rates of kinetic ballooning modes at high- β are reduced to the level of that of collisionless trapped electron modes.
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Wang, Bei, Stephane Ethier, William Tang, Khaled Z. Ibrahim, Kamesh Madduri, Samuel Williams, and Leonid Oliker. "Modern gyrokinetic particle-in-cell simulation of fusion plasmas on top supercomputers." International Journal of High Performance Computing Applications 33, no. 1 (June 29, 2017): 169–88. http://dx.doi.org/10.1177/1094342017712059.

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Анотація:
The gyrokinetic toroidal code at Princeton (GTC-P) is a highly scalable and portable particle-in-cell (PIC) code. It solves the 5-D Vlasov–Poisson equation featuring efficient utilization of modern parallel computer architectures at the petascale and beyond. Motivated by the goal of developing a modern code capable of dealing with the physics challenge of increasing problem size with sufficient resolution, new thread-level optimizations have been introduced as well as a key additional domain decomposition. GTC-P’s multiple levels of parallelism, including internode 2-D domain decomposition and particle decomposition, as well as intranode shared memory partition and vectorization, have enabled pushing the scalability of the PIC method to extreme computational scales. In this article, we describe the methods developed to build a highly parallelized PIC code across a broad range of supercomputer designs. This particularly includes implementations on heterogeneous systems using NVIDIA GPU accelerators and Intel Xeon Phi (MIC) coprocessors and performance comparisons with state-of-the-art homogeneous HPC systems such as Blue Gene/Q. New discovery science capabilities in the magnetic fusion energy application domain are enabled, including investigations of ion–temperature–gradient driven turbulence simulations with unprecedented spatial resolution and long temporal duration. Performance studies with realistic fusion experimental parameters are carried out on multiple supercomputing systems spanning a wide range of cache capacities, cache-sharing configurations, memory bandwidth, interconnects, and network topologies. These performance comparisons using a realistic discovery-science-capable domain application code provide valuable insights on optimization techniques across one of the broadest sets of current high-end computing platforms worldwide.
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Cranmer, Steven R., and Momchil E. Molnar. "Magnetohydrodynamic Mode Conversion in the Solar Corona: Insights from Fresnel-like Models of Waves at Sharp Interfaces." Astrophysical Journal 955, no. 1 (September 1, 2023): 68. http://dx.doi.org/10.3847/1538-4357/acee6c.

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Анотація:
Abstract The solar atmosphere is known to contain many different types of wave-like oscillation. Waves and other fluctuations (e.g., turbulent eddies) are believed to be responsible for at least some of the energy transport and dissipation that heats the corona and accelerates the solar wind. Thus, it is important to understand the behavior of magnetohydrodynamic (MHD) waves as they propagate and evolve in different regions of the Sun’s atmosphere. In this paper, we investigate how MHD waves can affect the overall plasma state when they reflect and refract at sharp, planar interfaces in density. First, we correct an error in a foundational paper (Stein) that affects the calculation of wave energy-flux conservation. Second, we apply this model to reflection-driven MHD turbulence in the solar wind, where the presence of density fluctuations can enhance the generation of inward-propagating Alfvén waves. This model reproduces the time-averaged Elsässer imbalance fraction (i.e., the ratio of inward to outward Alfvénic power) from several published numerical simulations. Lastly, we model how the complex magnetic field threading the transition region (TR) between the chromosphere and corona helps convert a fraction of upward-propagating Alfvén waves into fast-mode and slow-mode MHD waves. These magnetosonic waves dissipate in a narrow region around the TR and produce a sharp peak in the heating rate. This newly found source of heating sometimes exceeds the expected heating rate from Alfvénic turbulence by an order of magnitude. It may explain why some earlier models seemed to require an additional ad hoc heat source at this location.
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Dudson, B. D., and J. Leddy. "Hermes: global plasma edge fluid turbulence simulations." Plasma Physics and Controlled Fusion 59, no. 5 (April 4, 2017): 054010. http://dx.doi.org/10.1088/1361-6587/aa63d2.

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7

Grandgirard, V., Y. Sarazin, P. Angelino, A. Bottino, N. Crouseilles, G. Darmet, G. Dif-Pradalier, et al. "Global full-fgyrokinetic simulations of plasma turbulence." Plasma Physics and Controlled Fusion 49, no. 12B (November 15, 2007): B173—B182. http://dx.doi.org/10.1088/0741-3335/49/12b/s16.

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8

Pueschel, M. J., M. Kammerer, and F. Jenko. "Gyrokinetic turbulence simulations at high plasma beta." Physics of Plasmas 15, no. 10 (October 2008): 102310. http://dx.doi.org/10.1063/1.3005380.

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9

Thyagaraja, A. "Direct Numerical Simulations of Two-Fluid Plasma Turbulence." Le Journal de Physique IV 05, no. C6 (October 1995): C6–105—C6–108. http://dx.doi.org/10.1051/jp4:1995621.

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10

Xu, X. Q., W. M. Nevins, R. H. Cohen, J. R. Myra, and P. B. Snyder. "Dynamical simulations of boundary plasma turbulence in divertor geometry." New Journal of Physics 4 (July 24, 2002): 53. http://dx.doi.org/10.1088/1367-2630/4/1/353.

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Статті в журналах Дисертації

Дисертації з теми "HPC plasma turbulence simulations":

1

Bourne, Emily. "Non-uniform numerical schemes for the modelling of turbulence in the 5D GYSELA code." Electronic Thesis or Diss., Aix-Marseille, 2022. http://www.theses.fr/2022AIXM0412.

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Анотація:
Cette thèse s'inscrit dans le cadre des simulations de plasma fusion et son objectif est double: (i) développer des méthodes numériques innovantes adaptées au schéma semi-lagrangien utilisé dans le code 5D gyrocinétique GYSELA, capables de résoudre le problème de grande amplitude de fluctuations et de variation de température au bord du plasma et (ii) prendre en compte des configurations magnétiques plus réalistes que les celles jusqu'alors simulées dans le code. Je présente une nouvelle approche pour la quadrature par splines qui limite le conditionnement pour l'obtention des coefficients de quadrature. Je présente une approche splines locales avec transport des dérivées entre chaque patch et démontrons sa stabilité pour une advection semi-lagrangienne. Les études approfondies des méthodes semi-lagrangiennes basées sur des splines non-uniformes ont été réalisées sur un modèle Vlasov-Poisson 1D-1V utilisé pour l'étude de la gaine dans un plasma. Le code VOICE (mini-application de GYSELA) qui est aussi utilisé pour les simulations de gaine a été modifié et optimisé sur GPU pour prendre en compte un maillage non-équidistant.Les matrices covariantes de transformations pour une nouvelle géométrie ont été dérivées et implémentées dans le code pour les équations de Vlasov 5D. Cette configuration magnétique plus réaliste a été validée numériquement sur les benchmarks linéaires d'étude des GAMs. Une plate-forme de tests du solveur de Poisson 2D a été développée pour pouvoir comparer numériquement ce solveur à 2 autres solveurs multigrilles: l'un qui utilise des volumes finis sur un maillage cartésien uniforme et l'autre, qui utilise des différences finies sur un maillage logique
This thesis lies within the context of fusion plasma simulations and it has a double objective: (i) develop new scalable numerical methods, adapted to the semi-lagrangian scheme used in the 5D gyrokinetic GYSELA code, capable of solving the problem of large fluctuations and temperature variations at the edge of the plasma, and (ii) take into account more realistic magnetic configurations than the concentric circles currently simulated by the code. I present a new approach for quadrature using splines, which limits the condition number for the procurement of such quadrature coefficients. I present a local spline method where derivatives are transported between patches, and show its stability for semi-lagrangian advection. The semi-lagrangian method based on non-uniform splines on a Vlasov-Poisson 1D-1V model is used for studies of the plasma sheath. The existing VOICE code (which is a mini version of GYSELA), designed to study such problems, has been modified and optimised on a GPU to operate on a non-uniform mesh. Co-variant and contra-variant transformation matrices of a new realistic magnetic configuration were derived and implemented in the code to allow the 5D Vlasov equations to take into account new geometry. The inclusion of this new magnetic configuration has been successfully numerically validated on the linear benchmarks used for GAM studies. In parallel, a test platform for the 2D Poisson solver was developed in order to numerically compare this spline finite elements solver to two other multi-grid solvers: (i) a solver using finite volumes on a uniform cartesian mesh with embedded boundaries, and (ii) a solver using finite differences on a logical mesh
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Banon, Navarro Alejandro. "Gyrokinetic large Eddy simulations." Doctoral thesis, Universite Libre de Bruxelles, 2012. http://hdl.handle.net/2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/209592.

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Анотація:
Le transport anormal de l’energie observé en régime turbulent joue un rôle majeur dans les propriétés de stabilite des plasmas de fusion par confinement magnétique, dans des machines comme ITER. En effet, la turbulence plasma est intimement corrélée au temps de confinement de l’energie, un point clé des recherches en fusion thermonucléaire.

Du point de vue théorique, la turbulence plasma est décrite par les équations gyrocinétiques, un ensemble d équations aux dérivées partielles non linéaires couplées. Par suite des très différentes échelles spatiales mises en jeu dans des conditions expérimentales réelles, une simulation numérique directe et complète (DNS) de la turbulence gyrocinétique est totalement hors de portée des plus puissants calculateurs actuels, de sorte que démontrer la faisabilité d’une alternative permettant de réduire l’effort numérique est primordiale. En particulier, les simulations de grandes échelles (”Large-Eddy Simulations” - LES) constituent un candidat pertinent pour permettre une telle r éduction. Les techniques LES ont initialement été développées pour les simulations de fluides turbulents à haut nombre de Reynolds. Dans ces simulations, les plus grandes échelles sont explicitement simulées numériquement, alors que l’influence des plus petites est prise en compte via un modèle implémenté dans le code.

Cette thèse présente les premiers développements de techniques LES dans le cadre des équations gyrocinétiques (GyroLES). La modélisation des plus petites échelles est basée sur des bilans d’énergie libre. En effet, l’energie libre joue un rôle important dans la théorie gyrocinétique car elle en est un invariant non lin éaire bien connu. Il est démontré que sa dynamique partage de nombreuses propriétés avec le transfert d’energie dans la turbulence fluide. En particulier, il est montré l’existence d’une cascade d énergie libre, fortement locale et dirigée des grandes échelles vers les petites, dans le plan perpendiculaire â celui du champ magnétique ambiant.

La technique GyroLES est aujourd’hui implantée dans le code GENE et a été testée avec succès pour les instabilités de gradient de température ionique (ITG), connues pour jouer un rôle crucial dans la micro-turbulence gyrocinétique. A l’aide des GyroLES, le spectre du flux de chaleur obtenu dans des simulations à très hautes résolutions est correctement reproduit, et ce avec un gain d’un facteur 20 en termes de coût numérique. Pour ces raisons, les simulations gyrocinétiques GyroLES sont potentiellement un excellent candidat pour réduire l’effort numérique des codes gyrocinétiques actuels.

/ Anomalous transport due to plasma micro-turbulence is known to play an important role in confinement properties of magnetically confined fusion plasma devices such as ITER. Indeed, plasma turbulence is strongly connected to the energy confinement time, a key issue in thermonuclear fusion research. Plasma turbulence is described by the gyrokinetic equations, a set of nonlinear partial differential equations. Due to the various scales characterizing the turbulent fluctuations in realistic experimental conditions, Direct Numerical Simulations (DNS) of gyrokinetic turbulence remain close to the computational limit of current supercomputers, so that any alternative is welcome to decrease the numerical effort. In particular, Large-Eddy Simulations (LES) are a good candidate for such a decrease. LES techniques have been devised for simulating turbulent fluids at high Reynolds number. In these simulations, the large scales are computed explicitly while the influence of the smallest scales is modeled.

In this thesis, we present for the first time the development of the LES for gyrokinetics (GyroLES). The modeling of the smallest scales is based on free energy diagnostics. Indeed, free energy plays an important role in gyrokinetic theory, since it is known to be a nonlinear invariant. It is shown that its dynamics share many properties with the energy transfer in fluid turbulence. In particular, one finds a (strongly) local, forward (from large to small scales) cascade of free energy in the plane perpendicular to the background magnetic field.

The GyroLES technique is implemented in the gyrokinetic code Gene and successfully tested for the ion temperature gradient instability (ITG), since ITG is suspected to play a crucial role in gyrokinetic micro-turbulence. Employing GyroLES, the heat flux spectra obtained from highly resolved direct numerical simulations are recovered. It is shown that the gain of GyroLES runs is 20 in terms of computational time. For this reason, Gyrokinetic Large Eddy Simulations can be considered a serious candidate to reduce the numerical cost of gyrokinetic simulations.
Doctorat en Sciences
info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Weidl, Martin S. "Cosmic-ray propagation in simulations of cross-helical plasma turbulence." Diss., Ludwig-Maximilians-Universität München, 2015. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:19-184214.

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Анотація:
Turbulence is a ubiquitous phenomenon in astrophysical plasmas. Most of these systems exhibit a property called cross helicity, a non-zero correlation between velocity fluctuations and magnetic-field fluctuations. In the presence of a magnetic mean-field, such as in the solar wind or in the interstellar medium, cross helicity is equivalent to an imbalance between Alfven waves co- and counter-propagating with respect to the mean-field direction. Although this imbalance can have a dramatic influence on the heating and scattering rate of charged particles which propagate through the plasma, it is often neglected in computational studies of turbulent particle transport. In an effort to remedy this situation, we present numerical simulations of magnetohydrodynamic turbulence in which we can control the energy and the cross helicity of the system, without injecting kinetic or magnetic helicity as an unwanted side effect. Varying the strength of a magnetic guide-field allows us to determine the degree of anisotropy that the system assumes as a steady-state configuration. Detailed analysis proves that these simulations conform to theoretical models of realistic turbulence. The diffusion of cosmic-ray particles in turbulent plasmas is often calculated using quasilinear theory and a simplified description of the electromagnetic-field spectra. By computing the trajectories of test-particles in dynamically evolving turbulence simulations with non-zero cross helicity, we study whether such quasilinear predictions of the heating rate of charged particles are valid under realistic conditions. Theory and numerical results agree well for particles propagating at the Alfven velocity, unless resistive effects play a dominant role. Furthermore, strongly anisotropic field configurations are used to compare quasilinear pitch-angle diffusion coefficients with measurements of test-particle scattering after one gyroperiod. In particular, we focus on the scaling of the scattering rate with cross helicity. We observe excellent agreement in simulations of both balanced and imbalanced turbulence and explain the role of the magnetic moment, an approximate invariant of charged-particle motion, for pitch-angle scattering on timescales of several gyroperiods.
Turbulenz ist in astrophysikalischen Plasmen allgegenwärtig. Viele solche Systeme weisen eine sogenannte Kreuz-Helizität auf, also eine von Null verschiedene Korrelation zwischen Geschwindigkeits- und Magnetfeld-Fluktuationen. In einer anisotropen Magnetfeldgeometrie, z. B. im Sonnenwind oder dem interstellaren Medium, deutet die Kreuz-Helizität auf ein Ungleichgewicht zwischen Alfven-Wellen, die sich in Richtung des gemittelten Feldes ausbreiten, und solchen, die in die Gegenrichtung propagieren, hin. Obwohl dieses Ungleichgewicht die stochastische Beschleunigung und Streuung, die geladene Teilchen in einem Plasma erfahren, dramatisch beeinflusst, wurde es in bisherigen numerischen Studien über turbulenten Teilchentransport gemeinhin außer Acht gelassen. In dieser Arbeit nun werden rechnergestützte Simulationen von magnetohydrodynamischer Turbulenz präsentiert, in denen die Energie und die Kreuz-Helizität kontrolliert werden können, ohne jedoch kinetische oder magnetische Helizität als unerwünschte Nebenwirkung zu erzeugen. Die Stärke des mittleren Magnetfeldes bestimmt dabei die Anisotropie des Gleichgewichtszustandes. Die Simulationen erfüllen in allen Parameterbereichen die Vorhersagen, die theoretische Modelle für realistische Plasmaturbulenz treffen. Die Diffusion kosmischer Strahlung in turbulenten Plasmen wird häufig im Rahmen der quasilinearen Theorie unter Heranziehung eines stark vereinfachten Turbulenzspektrums berechnet. Indem die Trajektorien von Testteilchen in dynamischen Turbulenzsimulationen mit Kreuz-Helizität berechnet werden, lassen sich quasilineare Ergebnisse für die Beschleunigungsrate geladener Teilchen nachprüfen. Theorie und numerische Simulation stimmen für Teilchen mit der Alfven-Geschwindigkeit gut überein, solange resistive Effekte vernachlässigt werden können. Weiterhin werden aus der quasilinearen Theorie berechnete Diffusionskoeffizienten mit numerisch ermittelten Streuraten für Testteilchen nach einer Gyroperiode in stark anisotropen Feldkonfigurationen verglichen, wobei der Schwerpunkt erneut beim Einfluss der Kreuz-Helizität liegt. Für alle verwendeten Werte der Kreuz-Helizität ergibt sich eine exzellente Übereinstimmung zwischen Simulationsergebnis und Vorhersage. Schließlich wird die Rolle des magnetischen Moments, einer adiabatischen Invarianten bei der Bewegung geladener Teilchen in einem Magnetfeld, für die Streuung über Zeitskalen von mehreren Gyroperioden erläutert.
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Gracio, Bilro Castela Maria Luis. "Direct Numerical Simulations of plasma-assisted ignition in quiescent and turbulent flow conditions." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLC042/document.

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Анотація:
La combustion assistée par plasma a reçu une attention croissante dans les deux communautés de plasma et de combustion. Les décharges Nanoseconde Répétitive Pulsée (NRP) sont des techniques prometteuse et efficaces pour initier et contrôler les processus de la combustion en particulier quand les systèmes d’allumage conventionnels sont inefficaces ou trop coûteux en énergie. Néanmoins, les phénomènes rencontrés dans la combustion assistée par plasma sont encore mal connus. Les études numériques présentées dans la littérature sont limitées à des simulations 1-D et 2-D dans des conditions au repos. La complexité du problème augmente dans les configurations pratiques où le phénomène d’allumage est contrôlé par le mouvement du fluide ainsi que le mélange autour de la zone de décharge. La simulation numérique directe (DNS) est un outil de recherche puissant pour la compréhension des interactions plasma/combustion/écoulement. Toutefois, le coût de calcul de la combustion turbulente avec un nombre de Reynolds élevé et la cinétique chimique détaillée couplée avec le plasma hors-équilibre est prohibitif. Cette thèse présente un nouveau modèle de couplageplasma-combustion pour introduire les effets des décharges de plasma hors-équilibre dans le système d’équations qui décrit le phénomène de la combustion. Le modèle est construit en analysant les chemins par lesquels l’énergie électrique est transférée au gaz. Ce modèle de décharges NRP permet des simulations multidimensionalesDNS de la combustion et l’allumage assistés par plasma. Les phénomènes physiques complexes de l’allumage assisté par décharges multiples de plasma dans des mélanges au repos et en régime d’écoulement turbulent sont analysés dans cette thèse
Plasma-assisted combustion has received increasing attention in both plasma and combustion communities. Nanosecond Repetitively Pulsed (NRP) discharges are a promising and efficient technique to initiate and control combustion processes particularly when conventional ignition systems are rather ineffective or too energy costly. Even though a promising technique, the phenomena occurring in NRP discharges-assisted combustion are still poorly understood. The numerical studies presented in the literature are limited to 1-D and 2-D simulations in quiescent conditions. The problem complexity increases in practical configurations as ignition phenomena are also controlled by the flow and mixing field characteristics in and around the discharge channel. Direct Numerical Simulations (DNS) is a powerful research tool to understand these plasma/combustion/flow interactions. However, the computational cost of fully coupled detailed non-equilibrium plasma and combustion chemistry, and high Reynolds number simulations is prohibitive. This thesis presents a model to describe the effects of non-equilibrium plasma discharges in the set of equations governing the combustion phenomena. Based on the results reported in the literature, the model is constructed by analyzing the channels through which the electric energy is deposited. The two main channels by which the electrons produced during the discharge impact the reactive mixture are considered: 1) the excitation and the subsequent relaxation of the electronic states of nitrogen molecules, which leads to an ultrafast increase of the gas temperature and dissociation of species; and 2) the excitation and relaxation of vibrational states of nitrogen molecules which causes a much slower gas heating. This high level model of NRP discharges allows DNS studies of plasma-assisted combustion / ignition in high turbulent Reynolds number. The complex physics underlying plasma-assisted ignition by multiple discharges in both quiescent and turbulent flow conditions are discussed in the present thesis
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Cerri, Silvio Sergio [Verfasser]. "Plasma turbulence in the dissipation range - theory and simulations / Silvio Sergio Cerri." Ulm : Universität Ulm. Fakultät für Naturwissenschaften, 2016. http://d-nb.info/108198595X/34.

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Manas, Pierre. "Gyrokinetic simulations of turbulent impurity transport in tokamaks." Thesis, Aix-Marseille, 2015. http://www.theses.fr/2015AIXM4745/document.

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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
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Baschetti, Serafina. "A new modelling of the cross-field transport in diverted edge plasma : application to 2D transport simulations with SolEdge2D-EIRENE." Electronic Thesis or Diss., Ecole centrale de Marseille, 2019. http://www.theses.fr/2019ECDM0009.

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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
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Ben, Hassan Saïdi Ismaïl. "Numerical simulations of the shock wave-boundary layer interactions." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS390/document.

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Les situations dans lesquelles une onde de choc interagit avec une couche limite sont nombreuses dans les industries aéronautiques et spatiales. Sous certaines conditions (nombre de Mach élevé, grand angle de choc…), ces interactions entrainent un décollement de la couche limite. Des études antérieures ont montré que la zone de recirculation et le choc réfléchi sont tous deux soumis à un mouvement d'oscillation longitudinale à basse fréquence connu sous le nom d’instabilité de l’interaction onde de choc / couche limite (IOCCL). Ce phénomène appelé soumet les structures à des chargement oscillants à basse fréquence qui peuvent endommager les structures.L’objectif du travail de thèse est de réaliser des simulations instationnaires de l’IOCCL afin de contribuer à une meilleure compréhension de l’instabilité de l’IOCCL et des mécanismes physiques sous-jacents.Pour effectuer cette étude, une approche numérique originale est utilisée. Un schéma « One step » volume fini qui couple l’espace et le temps, repose sur une discrétisation des flux convectifs par le schéma OSMP développé jusqu’à l’ordre 7 en temps et en espace. Les flux visqueux sont discrétisés en utilisant un schéma aux différences finies centré standard. Une contrainte de préservation de la monotonie (MP) est utilisée pour la capture de choc. La validation de cette approche démontre sa capacité à calculer les écoulements turbulents et la grande efficacité de la procédure MP pour capturer les ondes de choc sans dégrader la solution pour un surcoût négligeable. Il est également montré que l’ordre le plus élevé du schéma OSMP testé représente le meilleur compromis précision / temps de calcul. De plus un ordre de discrétisation des flux visqueux supérieur à 2 semble avoir une influence négligeable sur la solution pour les nombres de Reynolds relativement élevés considérés.En simulant un cas d’IOCCL 3D avec une couche limite incidente laminaire, l’influence des structures turbulentes de la couche limite sur l’instabilité de l’IOCCL est supprimée. Dans ce cas, l’unique cause d’IOCCL suspectée est liée à la dynamique de la zone de recirculation. Les résultats montrent que seul le choc de rattachement oscille aux fréquences caractéristiques de la respiration basse fréquence du bulbe de recirculation. Le point de séparation ainsi que le choc réfléchi ont une position fixe. Cela montre que dans cette configuration, l’instabilité de l’IOCCL n’a pas été reproduite.Afin de reproduire l’instabilité de l’IOCCL, la simulation de l’interaction entre une onde de choc et une couche limite turbulente est réalisée. Une méthode de turbulence synthétique (Synthetic Eddy Method - SEM) est développée et utilisée à l’entrée du domaine de calcul pour initier une couche limite turbulente à moindre coût. L’analyse des résultats est effectuée en utilisant notamment la méthode snapshot-POD (Proper Orthogonal Decomposition). Pour cette simulation, l’instabilité de l’IOCCL a été reproduite. Les résultats suggèrent que la dynamique du bulbe de recirculation est dominée par une respiration à moyenne fréquence. Ces cycles successifs de remplissage / vidange de la zone séparée sont irréguliers dans le temps avec une taille maximale du bulbe de recirculation variant d’un cycle à l’autre. Ce comportement du bulbe de recirculation traduit une modulation basse fréquence des amplitudes des oscillations des points de séparation et de recollement et donc une respiration basse fréquence de la zone séparée. Ces résultats suggèrent que l’instabilité de l’IOCCL est liée à cette dynamique basse fréquence du bulbe de recirculation, les oscillations du pied du choc réfléchi étant en phase avec le point de séparation
Situations where an incident shock wave impinges upon a boundary layer are common in the aeronautical and spatial industries. Under certain circumstances (High Mach number, large shock angle...), the interaction between an incident shock wave and a boundary layer may create an unsteady separation bubble. This bubble, as well as the subsequent reflected shock wave, are known to oscillate in a low-frequency streamwise motion. This phenomenon, called the unsteadiness of the shock wave boundary layer interaction (SWBLI), subjects structures to oscillating loads that can lead to damages for the solid structure integrity.The aim of the present work is the unsteady numerical simulation of (SWBLI) in order to contribute to a better understanding of the SWBLI unsteadiness and the physical mechanism causing these low frequency oscillations of the interaction zone.To perform this study, an original numerical approach is used. The one step Finite Volume approach relies on the discretization of the convective fluxes of the Navier Stokes equations using the OSMP scheme developed up to the 7-th order both in space and time, the viscous fluxes being discretized using a standard centered Finite-Difference scheme. A Monotonicity-Preserving (MP) constraint is employed as a shock capturing procedure. The validation of this approach demonstrates the correct accuracy of the OSMP scheme to predict turbulent features and the great efficiency of the MP procedure to capture discontinuities without spoiling the solution and with an almost negligible additional cost. It is also shown that the use of the highest order tested of the OSMP scheme is relevant in term of simulation time and accuracy compromise. Moreover, an order of accuracy higher than 2-nd order for approximating the diffusive fluxes seems to have a negligible influence on the solution for such relatively high Reynolds numbers.By simulating the 3D unsteady interaction between a laminar boundary layer and an incident shock wave, we suppress the suspected influence of the large turbulent structures of the boundary layer on the SWBLI unsteadiness, the only remaining suspected cause of unsteadiness being the dynamics of the separation bubble. Results show that only the reattachment point oscillates at low frequencies characteristic of the breathing of the separation bubble. The separation point of the recirculation bubble and the foot of the reflected shock wave have a fixed location along the flat plate with respect to time. It shows that, in this configuration, the SWBLI unsteadiness is not observed.In order to reproduce and analyse the SWBLI unsteadiness, the simulation of a shock wave turbulent boundary layer interaction (SWTBLI) is performed. A Synthetic Eddy Method (SEM), adapted to compressible flows, has been developed and used at the inlet of the simulation domain for initiating the turbulent boundary layer without prohibitive additional computational costs. Analyses of the results are performed using, among others, the snapshot Proper Orthogonal Decomposition (POD) technique. For this simulation, the SWBLI unsteadiness has been observed. Results suggest that the dominant flapping mode of the recirculation bubble occurs at medium frequency. These cycles of successive enlargement and shrinkage of the separated zone are shown to be irregular in time, the maximum size of the recirculation bubble being submitted to discrepancies between successive cycles. This behaviour of the separation bubble is responsible for a low frequency temporal modulation of the amplitude of the separation and reattachment point motions and thus for the low frequency breathing of the separation bubble. These results tend to suggest that the SWBLI unsteadiness is related to this low frequency dynamics of the recirculation bubble; the oscillations of the reflected shocks foot being in phase with the motion of the separation point
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Weidl, Martin S. [Verfasser], and Harald [Akademischer Betreuer] Lesch. "Cosmic-ray propagation in simulations of cross-helical plasma turbulence / Martin S. Weidl. Betreuer: Harald Lesch." München : Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität, 2015. http://d-nb.info/1074358694/34.

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Monnier, Arnaud. "Interactions entre perturbations magnétiques macroscopiques et turbulence microscopique dans un modèle 3D d'un plasma de tokamak." Thesis, Aix-Marseille, 2013. http://www.theses.fr/2013AIXM4773/document.

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Cette thèse porte sur l'interaction entre un plasma de bord de tokamak et une perturbation magnétique résonante (RMP), utilisée principalement pour le contrôle de phénomènes de relaxations quasi-périodiques, présents dans un régime de confinement amélioré. Il permet notamment d'atteindre des conditions favorables aux réactions de fusion nucléaire. Il a été observé que la présence de perturbations magnétiques modifie la topologie magnétique au bord ce qui engendre une diminution de l'amplitude des relaxations, voire leur suppression. De précédents travaux ont étudié l'effet de perturbations magnétiques sur un plasma relaxant via des simulations numériques. Le modèle utilisé était dans un cas électrostatique, c'est à dire que la topologie magnétique n'évoluait pas dans le temps. Dans cette thèse, l'étude est faite dans un modèle de plasma de bord prenant en compte les fluctuations magnétiques via le code numérique EMEDGE3D. Ce code a été modifié pour pouvoir imposer une perturbation magnétique résonante. Des vérifications par des modèles réduits ont été menées sur la pénétration d'une perturbation magnétique ainsi que sur l'effet d'une vitesse cisaillée sur la pénétration. Ensuite, un RMP a été imposé dans un plasma non turbulent avec et sans vitesse cisaillée. Un phénomène d'écrantage, empêchant la pénétration d'une perturbation, a été identifié analytiquement et observé dans les simulations. Cette étude a été réitérée dans un plasma turbulent, et aussi en présence d'une barrière (vitesse cisaillée). Le plasma turbulent engendre une amplification du RMP, tandis que la barrière est affectée par la présence de cellules de convection fixes générées par la perturbation
In this thesis, the interaction between tokamak edge plasma and resonant magnetic perturbation (RMPs) is studied. It is mainly used to mitigate quasi-periodic relaxations in enhanced confinement regime. This regime allows to obtain good conditions for nuclear fusion. Introduction of a RMP in a tokamak plasma has been observed to modified the magnetic topology at the edge and decrease the relaxation amplitude up to complete suppression. Previous works studied the RMP effect on a plasma with relaxations, via numerical simulations. The model used for that consider the electrostatic approximation, where the magnetic topology does not evolve in time. In this thesis, the study is done with an edge plasma model taking into account magnetic fluctuations via the numerical code EMEDGE3D. This code has been modified to include the resonant magnetic perturbation. Comparison with reduced models has been carried out on the RMP penetration and the effect of sheared velocity on it. Then a RMP has been induced in a stable plasma, with or without imposed sheared rotation. A condition on the sheared velocity has been identified to avoid the screening effect, that would prevent the RMP penetration, analytically and in numerical simulations. This works has been repeated in a turbulent plasma in presence or not of transport barrier (sheared velocity). The turbulent plasma generate an effective RMP amplification, while the transport barrier is affected by locked convective cells due to the RMP
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Lewandowski, J. L. V., W. W. Lee, and Z. Lin. "Gyrokinetic Simulations of Plasma Turbulence on Massively Parallel Computers." In High Performance Computing — HiPC 2001, 95–103. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2001. http://dx.doi.org/10.1007/3-540-45307-5_9.

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Fogaccia, G., R. Benzi, and F. Romanelli. "Lattice Boltzmann simulations of electrostatic plasma turbulence." In High-Performance Computing and Networking, 276–82. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1996. http://dx.doi.org/10.1007/3-540-61142-8_559.

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Brandenburg, A., N. E. L. Haugen, and W. Dobler. "MHD Simulations of Small and Large Scale Dynamos." In Turbulence, Waves and Instabilities in the Solar Plasma, 33–53. Dordrecht: Springer Netherlands, 2003. http://dx.doi.org/10.1007/978-94-007-1063-4_3.

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Тези доповідей конференцій з теми "HPC plasma turbulence simulations":

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Schlatter, Philipp, Johan Malm, Geert Brethouwer, Arne V. Johansson, and Dan S. Henningson. "Large-scale Simulations of Turbulence: HPC and Numerical Experiments." In 2011 IEEE 7th International Conference on E-Science (e-Science). IEEE, 2011. http://dx.doi.org/10.1109/escience.2011.51.

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Reynolds-Barredo, J. M., D. E. Newman, J. M. Reynolds-Barredo, R. Sanchez, and L. A. Berry. "Modelling parareal convergence in 2D drift wave plasma turbulence." In 2012 International Conference on High Performance Computing & Simulation (HPCS). IEEE, 2012. http://dx.doi.org/10.1109/hpcsim.2012.6267004.

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Lederer, Hermann, Roman Hatzky, Reinhard Tisma, Alberto Bottino, and Frank Jenko. "Hyperscaling of plasma turbulence simulations in DEISA." In HPDC07: International Symposium on High Performance Distributed Computing. New York, NY, USA: ACM, 2007. http://dx.doi.org/10.1145/1273404.1273406.

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Watanabe, T. H. "Direct Kinetic Simulations of Ion Temperature Gradient Driven Turbulence." In PLASMA PHYSICS: 11th International Congress on Plasma Physics: ICPP2002. AIP, 2003. http://dx.doi.org/10.1063/1.1593966.

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Tskhakaya, David, Alejandro Soba, Ralf Schneider, Mattias Borchardt, Erven Yurtesen, and Jan Westerholm. "PIC/MC Code BIT1 for Plasma Simulations on HPC." In 2010 18th Euromicro International Conference on Parallel, Distributed and Network-Based Processing (PDP). IEEE, 2010. http://dx.doi.org/10.1109/pdp.2010.47.

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Joiner, Nathan, Akira Hirose, and William Dorland. "Gyrokinetic simulation of micro-turbulence in magnetically confined plasmas." In 21st International Symposium on High Performance Computing Systems and Applications (HPCS'07). IEEE, 2007. http://dx.doi.org/10.1109/hpcs.2007.18.

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Tang, William, Bei Wang, Stephane Ethier, Grzegorz Kwasniewski, Torsten Hoefler, Khaled Z. Ibrahim, Kamesh Madduri, et al. "Extreme Scale Plasma Turbulence Simulations on Top Supercomputers Worldwide." In SC16: International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis. IEEE, 2016. http://dx.doi.org/10.1109/sc.2016.42.

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Guclu, Yaman, Eric Sonnendrucker, and Michel Mehrenberger. "Field-aligned semi-Lagrangian methods for turbulence simulations of strongly magnetized plasmas." In 2015 IEEE International Conference on Plasma Sciences (ICOPS). IEEE, 2015. http://dx.doi.org/10.1109/plasma.2015.7179921.

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Bolot, R., A. Allimant, D. Billières, and C. Coddet. "Turbulence Effects in a DC Plasma Torch." In ITSC2011, edited by B. R. Marple, A. Agarwal, M. M. Hyland, Y. C. Lau, C. J. Li, R. S. Lima, and A. McDonald. DVS Media GmbH, 2011. http://dx.doi.org/10.31399/asm.cp.itsc2011p1267.

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Abstract The development of new plasma spray torches reinforced the use of numerical modelling to help in the design steps. Most of the thermal spray material providers are thus now interested in understanding the arc behaviour inside the torch so that CFD studies focussed on this topic become numerous. Our first calculations performed on the ProPlasma HP gun assuming a laminar hypothesis have shown underestimations of the torch voltage and of the thermal losses in the cooling circuit, and a subsequent overestimation of the thermal efficiency of the torch. In the present study, the setup of different turbulence models was performed and a comparison was made between the results obtained using either the laminar assumption or several turbulence models. The calculations indicate that the results obtained using conventional turbulence models such as k-ε or k-ω type models do not significantly differ from those obtained using a laminar assumption, thus only more sophisticated models can be expected to improve the simulations.
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Chen, L., J. Mostaghimi, and L. Pershin. "Numerical Simulations of Cascaded Plasma Torch Using Ar and Molecular Gases." In ITSC2007, edited by B. R. Marple, M. M. Hyland, Y. C. Lau, C. J. Li, R. S. Lima, and G. Montavon. ASM International, 2007. http://dx.doi.org/10.31399/asm.cp.itsc2007p0158.

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Abstract In this work, plasma flow inside a cascaded DC torch, effect of a plasma gas composition (Ar or CO2+CH4), and torch performance were studied. Both laminar model and k-ε turbulence model were employed and compared in the simulations. The results revealed that carbon contained gases can significantly increase the arc voltage and torch power. This gas mixture increases the arc voltage by up to 200% in comparison with argon. Voltage-current characteristics were also simulated for the current range of 200-400A. Differences in the torch performance can be attributed to the gases specific properties. For instance, at the same temperature the considered plasma gases have similar electric conductivities but the enthalpy of molecular CO2+CH4 is much higher. Experimental validation indicates that k-ε turbulence model provides better agreement.

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D.R. Mikkelsen and W. Dorland. The Dimits Shift in More Realistic Gyrokinetic Plasma Turbulence Simulations. Office of Scientific and Technical Information (OSTI), July 2008. http://dx.doi.org/10.2172/953703.

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