Simulation N-Corps d'un plasma
N-Body plasma simulation
Résumé
The N-Body plasma simulation consists in calculating the Coulomb interaction between N charged particles. We adapted an N-Body ``tree code'' algorithm, successfully used in the gravitational case, for the simulation of plasma. So far, we have found two main applications which suits this technique particularly well.
First, the expansion of a plasma into vacuum. In this kind of simulations, densities of very different order of magnitude have to interact. Some areas can have an hydrodynamic behavior whereas some others are filled by energetic particles following ballistic trajectories. Problems which take into account plasma-vacuum interface are almost impossible to study with common simulation techniques ( Vlasov, Fokker-Planck).
The other application consists in simulating moderatly or strongly coupled plasma. It deals with many laboratory plasmas as well as astrophysical plasmas such as the convective zone of the sun. In coupled plasmas, close collisions between charges can not be neglected as it is done in most of the other simulation techniques. The N-Body technique allows the accurate description of the trajectory of each single particle and thus to take into account the strong deviations due to the close collisions.
First, the expansion of a plasma into vacuum. In this kind of simulations, densities of very different order of magnitude have to interact. Some areas can have an hydrodynamic behavior whereas some others are filled by energetic particles following ballistic trajectories. Problems which take into account plasma-vacuum interface are almost impossible to study with common simulation techniques ( Vlasov, Fokker-Planck).
The other application consists in simulating moderatly or strongly coupled plasma. It deals with many laboratory plasmas as well as astrophysical plasmas such as the convective zone of the sun. In coupled plasmas, close collisions between charges can not be neglected as it is done in most of the other simulation techniques. The N-Body technique allows the accurate description of the trajectory of each single particle and thus to take into account the strong deviations due to the close collisions.
La simulation N-Corps d'un plasma consiste à calculer l'interaction coulombienne mutuelle entre N particules chargées. Nous avons adapté un algorithme N-Corps de type ``code en arbre'', utilisé avec succès dans le cas gravitationnel, pour la simulation de plasmas. Pour l'instant, nous avons trouvé deux champs d'applications pour lesquels cette technique est particulièrement bien adaptée.
Tout d'abord les problèmes d'expansion de plasma dans le vide. Ce genre de simulation fait coexister des densités d'ordres de grandeur très différents. Certaines zones peuvent avoir un comportement hydrodynamique pendant que d'autres sont peuplées de particules avec des trajectoires balistiques car trop énergétiques. Les protons, notamment, peuvent ainsi être accélérés à des vitesses requises pour la fusion. Ce type de problème, faisant intervenir une interface plasma-vide, est pratiquement impossible à étudier à l'aide des techniques de simulation courantes (e.g. codes MHD, Vlasov, Fokker-Planck, ...).
L'autre champ d'application est celui de la simulation des plasmas modérément ou fortement couplés qui concerne de nombreux plasmas de laboratoire, mais également des plasmas astrophysiques, tels, par exemple, la zone convective du Soleil. Dans les plasmas dits couplés, les collisions ``binaires proches'' entre charges ne peuvent pas être négligées. Or, les modèles numériques de type Fokker-Planck, très majoritairement utilisés pour simuler des plasmas faiblement collisionnels, n'en tiennent pas compte ce qui les rends inadéquats à ce type de plasma. La technique N-Corps, quant à elle, gère chaque particule individuellement et peut très bien décrire précisément les trajectoires de particules subissant ce genre de déviation violente.
Tout d'abord les problèmes d'expansion de plasma dans le vide. Ce genre de simulation fait coexister des densités d'ordres de grandeur très différents. Certaines zones peuvent avoir un comportement hydrodynamique pendant que d'autres sont peuplées de particules avec des trajectoires balistiques car trop énergétiques. Les protons, notamment, peuvent ainsi être accélérés à des vitesses requises pour la fusion. Ce type de problème, faisant intervenir une interface plasma-vide, est pratiquement impossible à étudier à l'aide des techniques de simulation courantes (e.g. codes MHD, Vlasov, Fokker-Planck, ...).
L'autre champ d'application est celui de la simulation des plasmas modérément ou fortement couplés qui concerne de nombreux plasmas de laboratoire, mais également des plasmas astrophysiques, tels, par exemple, la zone convective du Soleil. Dans les plasmas dits couplés, les collisions ``binaires proches'' entre charges ne peuvent pas être négligées. Or, les modèles numériques de type Fokker-Planck, très majoritairement utilisés pour simuler des plasmas faiblement collisionnels, n'en tiennent pas compte ce qui les rends inadéquats à ce type de plasma. La technique N-Corps, quant à elle, gère chaque particule individuellement et peut très bien décrire précisément les trajectoires de particules subissant ce genre de déviation violente.
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