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La simulation numérique des plasmas
La simulation numérique est un outil très utilisé en physique des plasmas. Il est en effet en général compliqué de monter des expériences de laboratoire. L’obtention de l’état plasma nécessite un vide très poussé et les expériences sont lourdes. De plus les phénomènes observés dans l’espace et les conditions rencontrées sont très difficiles à reproduire en laboratoire.
Une simulation est une sorte d’expérience numérique : grâce à un code numérique, on résoud les équations qui décrivent la physique du système (équations de Maxwell et équations de la dynamique), on discrétise ces équations (on résoud le problème sur une grille et à des temps discrets), on fixe des conditions aux limites. Sur les résultats de la simulation on réalise un certain nombre de diagnostics qui permettent d’analyser les phénomènes physiques.
Les différentes familles de codes :
Suivant les équations utilisées pour décrire la dynamique du plasma, on obtient des codes qui sont très différents et qui permettent de résoudre des problèmes très différents.
* Codes MHD : le plasma est considéré comme un fluide, les variations sont lentes, les systèmes sont de grande dimension, la géométrie peut être compliquée.
* Codes Multifluides : ils contiennent les équations fluides pour chaque espèce. Ils permettent de traiter des problèmes de collison, de la chimie...
* Codes Vlasov : ils résolvent les équations de Vlasov pour toutes les espèces. Ils décrivent tout les effets possibles dans un plasma sauf les corrélations entre particules, mais sont réservés à l’étude d’un domaine de petite dimension, parce qu’ils travaillent dans l’espace des phases (x,v), donc 6 dimensions en principe, au lieu de 3 au maximum pour une simulation fluide.
* Codes particulaires (PIC) : ils décrivent le mouvement de particules ou de « macro-particules ». Ils contiennent en principe la possibilité de corrélations à plusieurs particules éliminées dans l’équation de Vlasov, mais les propriétés grande échelle (densité etc...) sont bruitées parce qu’en pratique on ne peut pas mettre assez de particules pour avoir une statistique vraiment satisfaisante...
* Codes Hybrides : fluides pour les électrons, particulaires pour les ions ; ils sont beaucoup plus rapides mais ne décrivent pas les effets cinétiques liés à la gyrofréquence des électrons.
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