Contribution to the numerical study of radiation hydrodynamics: from radiative shocks experiments to astrophysical jets
Contribution à l'étude numérique de l'hydrodynamique radiative : des expériences de chocs radiatifs aux jets astrophysiques
Résumé
Radiation-hydrodynamics deals with the dynamical interaction between gas and radiation. Its applications lie from astrophysics to inertial confinement fusion.
During this thesis, a 3D parallel radiation-hydrodynamics code called HERACLES has been developed. It relies upon the M1 model which can deal with anisotropic radiation field. Various tests have validated HERACLES upon a large variety of physical conditions, including semi-transparent regime and photon diffusion, its results being similar to those of Monte-Carlo codes. It has then been applied to two domains.
The first one dealt with radiative shocks, astrophysical phenomena reproduced on Earth thanks to high-power lasers. HERACLES has shown the influence of different parameters upon the radiative shock evolution: ratio propagation canal width over photon mean free path, walls albedo... Then, it has contributed to analyze an experiment conducted at the PALS laser facility. It has reproduced the observed precursor slowdown and the transmission of the transverse diagnostic.
The second domain dealt with the jets generated by forming stars and interacting with their ambient molecular cloud. Since the interstellar medium opacities imply that a significant part of radiation is absorbed, we conducted the first jets simulations including radiation-hydrodynamics. They showed that the jets can be highly compressed and that radiative transfer could then play an important role in the jets propagation.
During this thesis, a 3D parallel radiation-hydrodynamics code called HERACLES has been developed. It relies upon the M1 model which can deal with anisotropic radiation field. Various tests have validated HERACLES upon a large variety of physical conditions, including semi-transparent regime and photon diffusion, its results being similar to those of Monte-Carlo codes. It has then been applied to two domains.
The first one dealt with radiative shocks, astrophysical phenomena reproduced on Earth thanks to high-power lasers. HERACLES has shown the influence of different parameters upon the radiative shock evolution: ratio propagation canal width over photon mean free path, walls albedo... Then, it has contributed to analyze an experiment conducted at the PALS laser facility. It has reproduced the observed precursor slowdown and the transmission of the transverse diagnostic.
The second domain dealt with the jets generated by forming stars and interacting with their ambient molecular cloud. Since the interstellar medium opacities imply that a significant part of radiation is absorbed, we conducted the first jets simulations including radiation-hydrodynamics. They showed that the jets can be highly compressed and that radiative transfer could then play an important role in the jets propagation.
L'hydrodynamique radiative est le domaine dans lequel gaz et rayonnement interagissent dynamiquement. Ses champs d'application sont très vastes, de l'astrophysique à la fusion par confinement inertiel.
Lors de cette thèse, un code numérique parallèle tridimensionnel d'hydrodynamique radiative baptisé HERACLES a été développé. Il s'appuie sur le modèle M1 qui permet de traiter un rayonnement à forte anisotropie. De nombreux tests ont validé HERACLES sur une grande variété de conditions physiques, dont le régime semi-transparent et la diffusion des photons, ses résultats étant comparables aux codes Monte-Carlo. Il a ensuite été utilisé dans deux thématiques.
La première concerne les chocs radiatifs, phénomènes astrophysiques reproduits sur Terre grâce aux lasers de puissance. HERACLES a mis en évidence l'influence de différents paramètres sur l'évolution d'un tel choc : le rapport de la largeur du canal de propagation sur le libre parcours moyen de photons, l'albédo des parois... Il a ensuite contribué à l'analyse d'une expérience réalisée avec le laser PALS. Il a permis de reproduire la courbe de décélération du précurseur observée dans l'expérience ainsi que la transmission du diagnostic transverse.
La seconde thématique concerne les jets générés par les étoiles en formation et interagissant avec le nuage moléculaire environnant. Les opacités du milieu interstellaire montrant qu'une partie significative du rayonnement est absorbée, nous avons mené les premières simulations d'un jet tenant compte du transfert radiatif. Elles ont montré que le jet pouvait être fortement comprimé et que le transfert radiatif semble donc pouvoir jouer un rôle important dans sa propagation.
Lors de cette thèse, un code numérique parallèle tridimensionnel d'hydrodynamique radiative baptisé HERACLES a été développé. Il s'appuie sur le modèle M1 qui permet de traiter un rayonnement à forte anisotropie. De nombreux tests ont validé HERACLES sur une grande variété de conditions physiques, dont le régime semi-transparent et la diffusion des photons, ses résultats étant comparables aux codes Monte-Carlo. Il a ensuite été utilisé dans deux thématiques.
La première concerne les chocs radiatifs, phénomènes astrophysiques reproduits sur Terre grâce aux lasers de puissance. HERACLES a mis en évidence l'influence de différents paramètres sur l'évolution d'un tel choc : le rapport de la largeur du canal de propagation sur le libre parcours moyen de photons, l'albédo des parois... Il a ensuite contribué à l'analyse d'une expérience réalisée avec le laser PALS. Il a permis de reproduire la courbe de décélération du précurseur observée dans l'expérience ainsi que la transmission du diagnostic transverse.
La seconde thématique concerne les jets générés par les étoiles en formation et interagissant avec le nuage moléculaire environnant. Les opacités du milieu interstellaire montrant qu'une partie significative du rayonnement est absorbée, nous avons mené les premières simulations d'un jet tenant compte du transfert radiatif. Elles ont montré que le jet pouvait être fortement comprimé et que le transfert radiatif semble donc pouvoir jouer un rôle important dans sa propagation.
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