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A particle micro-macro decomposition based numerical scheme for collisional kinetic equations in the diffusion scaling
No full textInternational audienceIn this work, we derive particle schemes, based on micro-macro decomposition, for linear kinetic equations in the diffusion limit. Due to the particle approximation of the micro part, a splitting between the transport and the collision part has to be performed, and the stiffness of both these two parts prevent from uniform stability. To overcome this difficulty, the micro-macro system is reformulated into a continuous PDE whose coefficients are no longer stiff, and depend on the time step ∆t in a consistent way. This non-stiff reformulation of the micro-macro system allows the use of standard particle approximations for the transport part, and extends the work in [Crestetto, Crouseilles, Lemou, KRM, 2012] where a particle approximation has been applied using a micro-macro decomposition on kinetic equations in the fluid scaling. Beyond the so-called asymptotic-preserving property which is satisfied by our schemes, they significantly reduce the inherent noise of traditional particle methods, and they have a computational cost which decreases as the system approaches the diffusion limit
Uniqueness of the critical mass blow up solution for the four dimensional gravitational Vlasov-Poisson system
No full textInternational audienceWe study the gravitational Vlasov-Poisson system at f + v center dot del(x) f - E - del v f = 0, E (x) = del phi(x) (x), Delta phi (x) = integral f (x, v) dv, in dimension N = 4 where the problem is L-1 critical. We proved in [M. Lemou, F. Mehats, P. Raphael, On the orbital stability of the ground states and the singularity formation for the gravitational Vlasov Poisson system, preprint] a sharp criterion for the global existence of weak solutions based on the variational characterization of the polytropic steady states solutions. From the existence of a pseudo-conformal symmetry, this criterion is sharp and there exist critical mass blow up solutions. We prove in this paper the uniqueness of the critical mass blow up solution. This gives in particular a first dynamical classification of the polytropic stationary solutions. The proof is an adaptation of a similar result by Frank Merle [F. Merle, Determination of blow-up solutions with minimal mass for nonlinear Schrodinger equations with critical power, Duke Math. J. 69 (2) (1993) 427-454] for the L-2 critical nonlinear Schrodinger equation
Asymptotic-Preserving scheme based on a Finite Volume/Particle-In-Cell coupling for Boltzmann- BGK-like equations in the diffusion scaling
No full textInternational audienceThis work is devoted to the numerical simulation of the collisional Vlasov equation in the diffusion limit using particles. To that purpose, we use a micro-macro decomposition technique introduced by Bennoune, Lemou and Mieussens. Whereas a uniform grid was used to approximate both the micro and the macro part of the full distribution function in their article, we use here a particle approximation for the kinetic (micro) part, the fluid (macro) part being always discretized by standard finite volume schemes. There are many advantages in doing so: (i) the so-obtained scheme presents a much less level of noise compared to the standard particle method; (ii) the computational cost of the micro-macro model is reduced in the diffusion limit since a small number of particles is needed for the micro part; (iii) the scheme is asymptotic preserving in the sense that it is consistent with the kinetic equation in the rarefied regime and it degenerates into a uniformly (with respect to the Knudsen number) consistent (and deterministic) approximation of the limiting equation in the diffusion regime
Non linear stability of spherical gravitational systems described by the Vlasov-Poisson equation
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Study of several kinetic models describing the evaporation phenomenon in gravitation
No full textL'étude de l'évolution de galaxies, et tout particulièrement du phénomène d'évaporation, a été pour la première fois menée à l'aide de modèles physiques, par Chandrasekhar notamment, dans les années 40. Depuis, de nouveaux modèles plus sophistiqués ont été introduits par les physiciens. Ces modèles d'évolution des galaxies sont des modèles cinétiques; bien connus et bien étudiés par les mathématiciens. Cependant, l'aspect évaporation (le fait que des étoiles sortent du système étudié) n'avait pas encore été étudié mathématiquement, à ma connaissance. La galaxie est vue comme un gaz constitué d'étoiles et le modèle consiste en une équation de Vlasov-Poisson, l'interaction étant la gravitation universelle, couplée avec au second membre un terme de collision de type Landau. On rajoute à ce modèle une condition d'évaporation qui consiste à dire que les étoiles dont l'énergie cinétique est suffisamment élevée pour quitter le système sont exclues. Ce modèle étant trop compliqué à étudier tel quel, je propose dans cette thèse plusieurs modèles simplifiés qui sont des premières étapes nécessaires à l'étude du modèle général et qui permettent de mieux comprendre les difficultés à surmonter. Dans une première partie, je m'intéresse au cas homogène en espace, pour lequel le terme de Vlasov-Poisson est remplacé par une simple dérivée en temps. Je fais une étude précise du cas à symétrie radiale en vitesse avec un potentiel Maxwellien, le terme de Landau étant alors remplacé par un terme de type Fokker-Planck, et je montre dans ce cas l'existence et l'unicité d'une solution régulière et l'existence d'un profil asymptotique des solutions. Dans le cas homogène général, je montre l'existence et l'unicité d'une solution régulière tout pendant que la masse ne s'est pas totalement évaporée. J'illustre ces résultats théoriques par des simulations numériques réalisés à l'aide de schéma numériques conservateurs. Dans une seconde partie, je m'intéresse au cas non homogène en espace en dérivant un modèle hydrodynamique pour un modèle de type Vlasov-BGK (plus simple que le modèle Vlasov-Poisson-Landau) avec évaporation.The study of the evolution of the galaxies, and more specially of the evaporation phenomenon, was for the first time carried out, by Chandrasekhar in particular, in the 40s. Since then, more sophisticated models have been introduced by physicists. These models are kinetics models; well-known and well-studied by mathematicians. However, the evaporation (the fact that stars leave the galaxy) has never been studied before, to my knowledge. The galaxy is seen as a gaz of stars and the model is formed by a Vlasov-Poisson equation, with the gravitational interaction, coupled with Kernel of collision of Landau. A condition of evaporation is added to this model, saying the stars with a large enough kinetic energy are excluded. As this model is too complicated to be studied, I propose in this thesis several simpler models which constitute first steps toward the study of the general model and which inform us about the difficulties implied. In the first part, I am interested in the space-homogeneous model, for which the Vlasov-Poisson term is replaced by a simple time derivative. I make a precise study of the spherically symmetric case with a Maxwellian potential for which the the Landau term is replaced by a Fokker-Planck typed term, and I show the existence of a unique regular solution and the fact that this solution admits an asymptotical profile. In the general homogeneous case, I show the existence of a unique regular solution as long as the mass has not totally disappeared. Theses theoretical results are illustrated with numerical simulations obtained with conservative schemes. In the second part, I am interested in the inhomogeneous case and I derive an hydro-dynamical model for a Vlasov-BGK model (a simpler model than Vlasov-Poisson-Landau) with evaporation
ASYMPTOTIC PRESERVING SCHEME FOR A KINETIC MODEL DESCRIBING IN COMPRESSIBLE FLUIDS
No full textThe kinetic theory of fluid turbulence modeling developed by Degond and Lemou in 7] is considered for further study, analysis and simulation. Starting with the Boltzmann like equation representation for turbulence modeling, a relaxation type collision term is introduced for isotropic turbulence. In order to describe some important turbulence phenomenology, the relaxation time incorporates a dependency on the turbulent microscopic energy and this makes difficult the construction of efficient numerical methods. To investigate this problem, we focus here on a multi-dimensional prototype model and first propose an appropriate change of frame that makes the numerical study simpler. Then, a numerical strategy to tackle the stiff relaxation source term is introduced in the spirit of Asymptotic Preserving Schemes. Numerical tests are performed in a one-dimensional framework on the basis of the developed strategy to confirm its efficiency
Asymptotic Preserving scheme for a kinetic model describing incompressible fluids
No full textInternational audienceThe kinetic theory of fluid turbulence modeling developed by Degond and Lemou in [6] is considered for further study, analysis and simulation. Starting with the Boltzmann like equation representation for turbulence modeling, a relaxation type collision term is introduced for isotropic turbulence. In order to describe some important turbulence phe-nomenology, the relaxation time incorporates a dependency on the turbulent microscopic energy and this makes difficult the construction of efficient numerical methods. To investi-gate this problem, we focus here on a multi-dimensional prototype model and first propose an appropriate change of frame that makes the numerical study simpler. Then, a numerical strategy to tackle the stiff relaxation source term is introduced in the spirit of Asymptotic Preserving Schemes. Numerical tests are performed in a one-dimensional framework on the basis of the developed strategy to confirm its efficiency
Mathematical and numerical study of some kinetic models and of their asymptotics : diffusion and anomalous diffusion limits
No full textL'objet de cette thèse est la construction de schémas numériques pour les équations cinétiques dans différents régimes de diffusion anormale. Comme le modèle devient raide en s'approchant du modèle asymptotique, les méthodes numériques standard deviennent coûteuses dans ce régime. Les schémas Asymptotic Preserving ont été introduits pour pallier à cette difficulté. Ils sont en effet stables le long de la transition du régime mésoscopique au régime microscopique. Dans le premier chapitre, nous considérons le cas d'une distribution d'équilibre qui est une fonction à queue lourde et dont le moment d'ordre 2 est infini. Le poids important des grandes vitesses de l'équilibre fait tomber la limite de diffusion usuelle en défaut, et on montre que le modèle asymptotique est une équation de diffusion fractionnaire. En nous basant sur une analyse asymptotique formelle de la convergence vers le modèle limite, nous construisons trois schémas AP pour le problème. La discrétisation en vitesse est discutée afin de prendre en compte correctement les grandes vitesses, et nous montrons que le troisième schéma est en outre uniformément précis au cours de la transition vers le régime microscopique. Dans le chapitre 2, nous étendons ces résultats au cas d'une fréquence de collision dégénérée en 0 qui mène aussi à une équation de diffusion fractionnaire. Nous adaptons ensuite ces méthodes numériques au cas d'une limite de diffusion normale avec scaling en temps anormal dans l'équation cinétique dans le chapitre 3. Dans ce cadre, la lenteur de la convergence vers le modèle asymptotique rend nécessaire une adaptation de l'approche AP des chapitres précédents. Enfin, le chapitre 4 présente un schéma AP pour l'équation cinétique dans le cas heavy-tail du chapitre 1 lorsque l'opérateur de collision est non-local.In this thesis, we construct numerical schemes for kinetic equations in some anomalous diffusion regimes. As the model becomes stiff when reaching the asymptotic model, the standard numerical methods become costly in this regime. Asymptotic Preserving (AP) schemes have been designed to overcome this difficulty. Indeed, they are uniformly stable along the transition from the mesoscopic regime to the microscopic one. In the first chapter, we study the case of a heavy-tailed equilibrium distribution, with infinite second order moment. The importance of the high velocities in the equilibrium makes the classical diffusion limit fail, and one can prove that the asymptotic model is a fractional diffusion equation. We construct three AP schemes for this problem, based on a formal asymptotic analysis of the convergence towards the limit model. The discretization of the velocities is then discussed to take into account the high velocities. Moreover, we prove that the third scheme enjoys the stronger property of being uniformly accurate along the convergence towards the microscopic regime. In chapter 2, we extend these results to the case of a degenerated collision frequency, also leading to a fractional diffusion limit. In chapter 3, these methods are then adapted to the case of a classical diffusion limit with anomalous time scale in the kinetic equation. In this case, an adaptation of the AP approach of the previous chapter is needed, because of the slow convergence rate of the kinetic equation towards the limit model. Eventually, a AP scheme for kinetic equation with heavy-tailed equilibria and non local collision operator is presented in chapter 4
Some methods for asymptotic analysis and numerical approximation : multi-scale evolution problems, of oscillatory or relaxation behavior
No full textLes problèmes à relaxation rapide apparaissent dans de nombreux systèmes physiques ou biologiques, notamment dans le cadre de modèles cinétiques avec collisions. Leur comportement mélange une dynamique de relaxation de temps caractéristique epsilon et une partie lente d'interactions (généralement non-linéaire) ou de transport. Malgré le développement depuis les années 1980 de méthodes de résolution adaptées peu coûteuses (i.e. stables et essentiellement explicites), un problème demeure: la précision des méthodes est dégradée lorsque le pas de discrétisation est d'ordre epsilon. Dans ce manuscrit, on présente une méthode pour dépasser cette limite. L'approche mise en œuvre consiste à effectuer des développements asymptotiques par rapport au paramètre epsilon de sorte à pouvoir séparer le modèle asymptotique et son erreur; on parle alors d'un problème micro-macro. Ce nouveau problème peut être résolu numériquement et on reconstruit la solution du problème d'origine avec une précision indépendante du paramètre epsilon. Nos développements asymptotiques font appel à des résultats récents de moyennisation, si bien qu'un chapitre de ce manuscrit est dédié à l'exposition de preuves originales de certains résultats de moyennisation connus. On discute en outre d'extensions possibles de nos résultats.Stiff relaxation problems appear in numerous physical and biological systems, most notably in kinetic models with collisions. The solutions of such problems present two dynamics which are intertwined: a relaxation of characteristic time epsilon, and a slow part of interactions or transport. Since the 1980s, efficient and stable methods have been developed to solve these problems numerically, however one issue remains: the accuracy of the method degrades when the time-step is of size epsilon. In this work, we present a method to overcome this limit. Our approach consists in performing asymptotic developments with relation to epsilon to construct an *non-stiff* asymptotic model and its error. We then consider this asymptotic behavior and the error separately -- this is a micro-macro decomposition. This new problem may be solved and the solution of the original problem recovered, all with an accuracy independent of epsilon. As our asymptotic developments use results from averaging, a chapter of this work is dedicated to averaging results. Specifically, we present original proofs of known results, using recent frameworks which make algebraic reasonings straightforward. A brief discussion surrounding possible extensions of our results is conducted at the end of the manuscript
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