Étude et discrétisation de modèles cinétiques et de modèles fluides à bas nombre de Mach

This thesis summarizes our work between 1995 and 2010. It concerns the analysis and the discretization of Fokker-Planck or semi-classical Boltzmann kinetic models and of Euler or Navier-Stokes fluid models at low Mach number. The studied Fokker-Planck equation models the collisions between ions and electrons in a hot plasma, and is here applied to the inertial confinement fusion. The studied semi-classical Boltzmann equations are of two types. The first one models the thermonuclear reaction between a deuterium ion and a tritium ion producing an alpha particle and a neutron particle, and is also in our case used to describe inertial confinement fusion. The second one - known as the Wang-Chang & Uhlenbeck equations - models the transitions between electronic quantified energy levels of uranium and iron atoms in the AVLIS isotopic separation process. We studied the basic properties of these two Boltzmann equations, and, for the Wang-Chang & Uhlenbeck equations, we proposed a kinetic fluid coupling algorithm. This kinetic-fluid coupling algorithm incited us to study the relaxation concept for gas and immiscible fluids mixtures, and to underline connections with classical kinetic theory. Then, we proposed a diphasic low Mach number model without acoustic waves to model the deformation of the interface between two immiscible fluids induced by high heat transfers at low Mach number. And, to increase the accuracy of the results without increasing computational cost, we studied an AMR algorithm on a simplified interface deformation model. These low Mach number studies also incited us to analyse on cartesian meshes the inaccuracy at low Mach number of Godunov schemes. Finally, we justified the LBM algorithm applied to the heat equation.Ce mémoire résume les travaux que nous avons réalisés de 1995 à 2010. Ces travaux ont eu pour thème l'étude et la discrétisation, d'une part, de modèles cinétiques de type Fokker-Planck ou de type Boltzmann semi-classiques et, d'autre part, de modèles fluides de type Euler ou de type Navier-Stokes à bas nombre de Mach. L'équation de Fokker-Planck étudiée modélise les collisions entre ions et électrons dans un plasma chaud, et concerne ici la fusion par confinement inertiel. Les équations de Boltzmann semi-classiques étudiées sont de deux types. Le premier type modélise la réaction de fusion thermonucléaire entre un ion deuterium et un ion tritium donnant une particule alpha et un neutron, et concerne également ici la fusion par confinement inertiel. Le deuxième type - connu sous le nom d'équations de Wang-Chang & Uhlenbeck - modélise ici les transitions d'énergie quantique dans les couches électroniques d'atomes d'uranium et de fer provoquées par les collisions entre ces mêmes atomes au sein du procédé SILVA de Séparation Isotopique par Laser sur Vapeur Atomique. Nous avons étudié les propriétés de base de ces deux types d'équations de Boltzmann semi-classiques, et, dans le cas des équations de Wang-Chang & Uhlenbeck, nous avons proposé un algorithme de couplage cinétique-fluide. L'étude de cet algorithme nous a incité à étudier la notion de relaxation dans un mélange binaire de gaz et de fluides non-miscibles, et à souligner les points communs de cette approche avec la théorie cinétique standard. L'étude de modèles moyennés pour des mélanges de fluides non-miscibles nous a amené à proposer et à discrétiser un modèle sans ondes acoustiques modélisant la déformation d'une interface entre deux fluides non-miscibles provoquée par de forts gradients thermiques à bas nombre de Mach. Puis, afin d'améliorer la précision des calculs tout en en maîtrisant le coût, nous avons également étudié la possibilité de résoudre sur un maillage dynamique de type AMR un modèle simplifié de déformation d'interface. Ces études à bas nombre de Mach nous ont également incités à analyser sur maillage cartésien le mauvais comportement à bas nombre de Mach des schémas de type Godunov appliqués au système d'Euler compressible. Enfin, nous avons justifié l'algorithme LBM dans le cas de l'équation de la chaleur