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Fiche détaillée Thèses
École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan (25/11/2009), Laurent Desvillettes (Dir.)
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Modélisation mathématique et étude numérique d'un aérosol dans un gaz raréfié. Application à la simulation du transport de particules de poussière en cas d'accident de perte de vide dans ITER.
Frédérique Charles1, 2

Dans ce travail, nous nous intéressons à des modèles cinétiques décrivant un aérosol constitué de particules solides dans un gaz raréfié. Ces modèles sont constitués d'un couplage de deux Équations aux Dérivées Partielles décrivant l'évolution spatio-temporelle des distributions en molécules de gaz et en particules de poussière. Le modèle présenté dans la première partie de ce travail est constitué d'un couplage de deux équations de type Boltzmann, dans lequel l'interaction entre les molécules de gaz et les particules de poussière est décrite par deux opérateurs de collision. Nous proposons deux modélisations de ces opérateurs. Dans la première, les collisions entre particules et molécules sont supposées élastiques. Dans la seconde, nous modélisons ces collisions par un mécanisme inélastique de réflexion diffuse sur la surface des particules. Nous établissons alors des opérateurs de collision d'expressions non classiques. D'un point de vue mathématique, nous montrons que le couplage homogène en espace muni des opérateurs de collision élastiques possède des solutions faibles préservant la masse et l'énergie, et vérifiant une inégalité d'entropie. Nous proposons ensuite une mise en oeuvre numérique du modèle dit de réflexion diffuse, basé sur un code de type Direct Simulation Monte Carlo. Celle-ci met en évidence un coût de simulation de l'opérateur particules-molécules trop élevé lorsque les particules ont un rayon trop grand. Nous introduisons alors dans la deuxième partie de ce travail un modèle constitué d'un couplage (par l'intermédiaire d'une force de traînée) entre une équation de Vlasov et une équation de Boltzmann. Pour cela, nous effectuons un adimensionnement du premier système, suivi d'un développement asymptotique de l'opérateur de collision particules-molécules adimensionné en fonction du rapport de masse entre une molécule et une particule de poussière. Nous justifions ensuite rigoureusement ce développement asymptotique dans le cas homogène en espace et pour le modèle de collisions élastiques en prouvant que les solutions du couplage Boltzmann/Boltzmann convergent faiblement vers des solutions du couplage asymptotique Vlasov/Boltzmann. Nous établissons pour cela une nouvelle variante de l'inégalité de Povzner, adaptée au cas de particules de masses très différentes. Par ailleurs, nous comparons numériquement les systèmes Boltzmann/Boltzmann et Vlasov/Boltzmann pour le modèle dit de réflexion diffuse. La mise en oeuvre numérique du système Vlasov/Boltzmann est réalisée par couplage entre une méthode de type Particle-In-Cell et une méthode Monte-Carlo. Enfin, nous présentons l'application de ces modèles à la simulation numérique de la mobilisation et du transport de particules de poussière au début d'un accident de perte de vide, dans le cadre d'étude de sûreté pour le réacteur ITER
1 :  CMLA - Centre de Mathématiques et de Leurs Applications
2 :  LSET - Laboratoire de Simulation des Ecoulements et du Transport
équation de Boltzmann – équation de Vlasov – inégalité de Povzner – méthodes particulaire – méthodes Monte-Carlo.

Mathematical modelling and numerical study of a spray in a rarefied atmosphere. Application to the simulation of the transport of dust particles during a loss-of-vacuum accident in ITER.
This thesis deals with kinetic models describing a spray in a rarefied atmosphere. These models rely on coupling two Partial Differential Equations which describe the spatio-temporal evolution of the distribution in molecules and in dust particles. The model presented in the first part is described by two Boltzmann-type equations where collisions between molecules and particles are modeled by two collision operators. We suggest two modelings of these collision operators. In the first one, collisions between dust particles and molecules are supposed to be elastic. In the second, we assume these collisions are inelastic and given by a diffuse reflexion mechanism on the surface of dust particles. This leads to the establishment of non-classical collision operators. We prove that in the case of elastic collisions, the spatially homogeneous system has weak solutions which preserve mass and energy, and which satisfy an entropy inequality. We then describe the numerical simulation of the inelastic model which is based on a Direct Simulation Method. However, a study of the numerical method shows that the simulation is too expensive will the size of a typical dust particle is too large. We therefore introduce a model constituted of a coupling (by a drag force term) between a Boltzmann equation and a Vlasov equation. To this end, we perform a scaling of the Boltzmann/Boltzmann system and an asymptotic expansion of one of the dimensionless collision operators with respect to the ratio of mass between a molecule of gas and a particle. A rigorous proof of the convergence is given in the spatially homogeneous setting for the elastic model of collision operators. It includes a new variant of Povzner's inequality in which the vanishing mass ratio is taken into account. Moreover, we numerically compare the Boltzmann/Boltzmann and Vlasov/Boltzmann systems with the inelatic collision operators. The simulation of the Vlasov equation is performed with a Particle-In-Cell method. Using these models, we perform some numerical simulations of a loss-of-vacuum event in the framework of safety studies in the ITER.
Boltzmann equation – Vlasov equation – Povzner's inequality – particle simulation – Monte-Carlo method.