Academic literature on the topic 'Model Vlasov-Poisson'

<p style='text-indent:20px;'>Systems of Vlasov-Poisson type are kinetic models describing dilute plasma. The structure of the model differs according to whether it describes the electrons or positively charged ions in the plasma. In contrast to the electron case, where the well-posedness theory for Vlasov-Poisson systems is well established, the well-posedness theory for ion models has been investigated more recently. In this article, we prove global well-posedness for two Vlasov-Poisson systems for ions, posed on the whole three-dimensional Euclidean space <inline-formula><tex-math id="M2">\begin{document}$ \mathbb{R}^3 $\end{document}</tex-math></inline-formula>, under minimal assumptions on the initial data and the confining potential.</p>

Analytical study of the linear stability of one-dimensional double layers in nonmagnetized plasmas based on the solution of the Vlasov–Poisson system is presented. Electromagnetic effects are not included. A self-consistent equilibrium electrostatic potential Φ0(z) that monotonically increases from a low level at z = − ∞ to a high level at z = + ∞ is assumed. We model this potential as a piecewise continuous function of z and we assume that Φ0(z) has constant values for − ∞ z ≤ 0 and L ≤ z < ∞, L being the thickness of the double layer. The BGK states for the Vlasov–Poisson system provide an explicit expression for the velocity distribution of the reflected electrons required for the particular double layer configuration. The stability of the double layers is studied via the linearized Vlasov and Poisson equations using the WKB approximation.

An important physical model describing the dynamics of dilute weakly ionized plasmas in the collisional kinetic theory is the Vlasov–Poisson–Boltzmann system for which the plasma responds strongly to the self-consistent electrostatic force. This paper is concerned with the electron dynamics of kinetic plasmas in the whole space when the positive charged ion flow provides a spatially uniform background. We establish the global existence and optimal convergence rates of solutions near a global Maxwellian to the Cauchy problem on the Vlasov–Poisson–Boltzmann system for angular cutoff soft potentials with -2 ≤ γ < 0. The main idea is to introduce a time-dependent weight function in the velocity variable to capture the singularity of the cross-section at zero relative velocity.

AbstractWe investigate large scale structure formation of collisionless dark matter in the phase space description based on the Vlasov-Poisson equation. We present the Schrödinger method, originally proposed by \cite{WK93} as numerical technique based on the Schrödinger Poisson equation, as an analytical tool which is superior to the common standard pressureless fluid model. Whereas the dust model fails and develops singularities at shell crossing the Schrödinger method encompasses multi-streaming and even virialization.

Based on the global existence theory of the Vlasov–Poisson–Boltzmann system around vacuum in the N-dimensional phase space, in this paper, we prove the uniform L1stability of classical solutions for small initial data when N ≥ 4. In particular, we show that the stability can be established directly for the soft potentials, while for the hard potentials and hard sphere model it is obtained through the construction of some nonlinear functionals. These functionals thus generalize those constructed by Ha for the case without force to capture the effect of the force term on the time evolution of solutions. In addition, the local-in-time L1stability is also obtained for the case of N = 3.

Beaucoup de méthodes numériques ont été développées pour résoudre l'équation de Vlasov, car obtenir des simulations numériques précises en un temps raisonnable pour cette équation est un véritable défi. Cette équation décrit en effet l'évolution de la fonction de distribution de particules (électrons/ions) qui dépend de 3 variables d'espace, 3 variables de vitesse et du temps. L'idée principale de cette thèse est de réécrire l'équation de Vlasov sous forme d'un système hyperbolique par semi-discrétisation en vitesse. Cette semi-discrétisation est effectuée par méthode d'éléments finis. Le modèle ainsi obtenu est appelé équation de Vlasov réduite. Nous proposons différentes méthodes numériques pour résoudre efficacement ce modèle: méthodes des volumes finis, méthodes semi-Lagrangiennes et méthodes Galerkin discontinus
Many numerical methods have been developed in order to selve the Vlasov equation, because computing precise simulations in a reasonable time is a real challenge. This equation describes the time evolution of the distribution function of charged particles (electrons/ions), which depends on 3 variables in space, 3 in velocity and time. The main idea of this thesis is to rewrite the Vlasov equation in the form of a hyperbolic system using a semi-discretization of the velocity. This semi-discretization is achieved using the finite element method. The resulting model is called the reduced Vlasov equation. We propose different numerical methods to salve this new model efficiently: finite volume methods, semi-Lagrangian methods and discontinuous Galerkin methods

Le modèle de programmation InKS vise à améliorer la lisibilité, la portabilité et la maintenabilité des codes de simulation tout en accroissant la productivité des développeurs de telles applications. Pour atteindre ces objectifs, InKS propose deux langages, chacun dédié à une partie de l’application. Le premier, InKS PIA , permet d’exprimer les aspects algorithmiques d’un code de simulation scientifique tout en laissant les choix d’optimisation de côté. Il s’agit de décrire les fondations de la simulation : son algorithme. Le second langage, InKS PSO , permet aux spécialistes de l’optimisation de réutiliser les informations contenues dans l’algorithme pour exprimer une large variété de choix d’optimisation. Le modèle permet d’écrire de nombreuses versions des optimisations, typiquement une par architecture, à partir d’un unique algorithme. En basant les différentes versions d’un programme sur sa partie invariante, l’algorithme, le modèle InKS limite la réécriture du code, boostant la productivité des développeurs. Suite à la proposition du modèle InKS et de son implémentation, nous avons évalué le modèle au travers de l'implémentation de simulations de plasma: le système Vlasov-Poisson 6D. Cette évaluation a permis de mettre en évidence certaines bonnes propriétés du modèle, notamment en matière de séparation des aspects, mais aussi à montrer sa généralité et ses performances. Pour ce faire, nous avons comparé l'efficacité de deux implémentations du système Vlasov-Poisson 6D, écrite sur InKS ou Fortran. Pour les optimisations les plus importantes, le nombre de lignes dans les deux cas est similaire. Cependant, la présence de l'algorithme permet d'ordonnancer automatiquement, en une simple ligne, un large ensemble de calcul, verbeux et potentiellement sujet aux erreurs. Ainsi, dans les parties non critiques du code, InKS PSO peut résumer une partie du programme de manière concise, permettant de se concentrer sur les parties de calcul intensif. Par ailleurs, en limitant la réécriture du code aux seules optimisations, InKS permet de tester plusieurs stratégies d'optimisations afin d'identifier la plus adaptée à une architecture donnée. En comparaison, dans ces situations, les applications traditionnelles requièrent la réécriture d'une plus grande partie du code, limitant le temps consacré à la recherche des meilleures stratégies d'optimisation
The InKS programming model aims to improve readability portability and maintainability of simulation codes as well as boosting developer productivity. To fulfill these objectives, InKS proposes two languages, each dedicated to a specific concern. First, InKS PIA provides concepts to express simulation algorithms with no concerns for optimization. Once this foundation is set, InKSPSO enables optimization specialists to reuse the algorithm in order to specify the optimization part. The model offers to write numerous versions of the optimizations, typically one per architecture, from a single algorithm. This strategy limits the rewriting of code for each new optimization specification, boosting developer productivity.We have evaluated the InKS programming model by using it to implement the 6D Vlasov-Poisson solver and compared our version with a Fortran one. This evaluation highlighted that, in addition to the separation of concerns, the InKS approach is not more complex that traditional ones while offering the same performance. Moreover, using the algorithm, it is able to generate valid code for non-critical parts of code, leaving optimization specialists more time to focus on optimizing the computation intensive parts

La theorie des groupes de lie est utilisee pour rechercher les symetries et les invariants associes du modele de vlasov-poisson. Des methodes nouvelles sont exposees ainsi que la notion de symetrie caracteristique qui permet d'unifier les divers resultats obtenus par d'autres methodes ou theories. Un nouveau code de simulation numerique pour le systeme de vlasov-poisson est presente avec une etude de ses proprietes d'invariance relativement aux symetries admises par le modele

Cette thèse propose différentes méthodes théoriques et numériques pour simuler à coût réduit le comportement des plasmas ou des faisceaux de particules chargées sous l’action d’un champ magnétique fort. Outre le champ magnétique externe, chaque particule est soumise à champ électromagnétique créé par les particules elles-mêmes. Dans les modèles cinétiques, les particules sont représentées par une fonction de distribution f(x,v,t) qui vérifie l’équation de Vlasov. Afin de déterminer le champ électromagnétique, cette équation est couplée aux équations de Maxwell ou de Poisson. L’aspect champ magnétique fort est alors pris en compte par un dimensionnement adéquat qui fait apparaître un paramètre de perturbation singulière 1/ε
This thesis is devoted to the study of charged particle beams under the action of strong magnetic fields. In addition to the external magnetic field, each particle is submitted to an electromagnetic field created by the particles themselves. In kinetic models, the particles are represented by a distribution function f(x,v,t) solution of the Vlasov equation. To determine the electromagnetic field, this equation is coupled with the Maxwell equations or with the Poisson equation. The strong magnetic field assumption is translated by a scaling wich introduces a singular perturbation parameter 1/ε

Dans cette thèse, on étudie la stabilité orbitale d’états stationnaires de modèles mathématiques de type "Hamiltonian mean-field", dits modèles HMF. Cette étude est d’abord menée d’un point de vue théorique en utilisant des méthodes variationnelles. Puis, elle est menée d’un point de vue numérique en commençant par l’élaboration de schémas conservant exactement des états stationnaires. Le Chapitre 2 présente une étude théorique de la stabilité orbitale des états stationnaires du modèle HMF Poisson. Plus précisément, on prouve la stabilité orbitale d’une grande classe d’états stationnaires solutions du système HMF avec potentiel de Poisson. Ces états stationnaires sont des minimiseurs d’un problème à une, deux ou une infinité de contraintes d’une certaine fonctionnelle. La preuve s’appuie sur une approche variationnelle. Cependant le caractère borné du domaine empêche l’utilisation des techniques usuelles basées sur des invariances d’échelles. On introduit alors de nouvelles méthodes, spécifiques à ce problème, mais demeurant dans l’esprit des outils de réarrangements introduits pour le système de Vlasov-Poisson. En particulier, ces méthodes permettent de considérer un nombre arbitraire de contraintes et aboutissent à un résultat de stabilité pour une grande classe d’états stationnaires. Dans le Chapitre 3, on construit des schémas numériques conservant exactement des états stationnaires donnés. Ces schémas modélisent mieux la propriété de stabilité orbitale que les schémas classiques. Puis, on propose un schéma plus général en construisant un schéma qui conserve tous les états stationnaires des modèles HMF. Pour finir, à l’aide de ces schémas, est menée une étude numérique de la stabilité des états stationnaires du système de HMF Poisson qui vient compléter l’étude théorique du Chapitre 2
In this thesis, we study the nonlinear orbital stability of steady states of "Hamiltonian mean-field" models, called HMF models. First, this study is being done theoretically by using variational methods. It is then carried out numerically by building numerical schemes wich exactly preserve steady states. Chapter 2 presents a theoretical study of the orbital stability of steady states which are solutions to the HMF Poisson system. More specifically, the orbital stability of a large class of steady states which are solutions to the HMF system with Poisson potential is proved. These steady states are obtained as minimizers of an energy functional under one, two or infinitely many constraints. The proof relies on a variational approach. However the boundedness of the space domain prevents us from using usal technics based on scale invariance. Therefore, we introduce new methods which, although specific to our context, remain somehow in the same spirit of rearrangements tools introduced for the Vlasov-Poisson system. In particular, these methods allow for the incorporation of an arbitrary number of constraints, and yield a stability result for a large class of steady states. In Chapter 3, numerical schemes exactly preserving given steady states are built. These schemes model the orbital stability property better than the classic ones. Then, a more general scheme is introduced by building a scheme wich preserves all steady states of HMF models. Lastly, by means of these schemes, we conduct a numerical study of stability of steady states solutions to HMF Poisson system. This completes the theoretical study in Chapter 2

Esta tesis está dedicada al desarrollo, aplicación y test de métodos para la simulación numérica de problemas procedentes de la física y de la ingeniería electrónica. La principal herramienta aplicada a lo largo de todo el trabajo es la ecuación de Vlasov (transporte) en la forma de la Boltzmann Transport Equation (BTE) para la descripción del transporte de partículas cargadas en plasmas y dispositivos electrónicos: las cargas se mueven bajo el efecto de un campo de fuerza y sufren scattering debido a otras cargas o fonones (pseudo-partículas que describen de manera efectiva las vibraciones de los iones del retículo cristalino).
La BTE ha de ser acoplada con una ecuación o sistema de ecuaciones para calcular el campo de fuerza: para estructuras simples se usa la ecuación de Poisson; para plasmas, donde los efectos magnéticos no se pueden despreciar debido a las altas velocidades de las partículas, se usa la fuerza de Lorentz, por lo cual se han de resolver las ecuaciones de Maxwell; en nanoestructuras, por ejemplo transistores con dimensiones confinadas, la ecuación de Poisson necesita ser acoplada con la ecuación de Schrödinger para la descripción de las dimensiones cuánticas y para la descomposición en sub-bandas, o niveles de energía.
Las colisiones son el scattering que las cargas padecen debido a las interacciones con otras cargas o con el retículo cristalino fijo, representado en forma de fonones. En la tesis se emplean diversos operadores de scattering: los más simples son operadores lineales de relajación; se estudia un modelo para la simulación de semiconductores donde se tienen en cuenta colisiones con fonones acústicos, en aproximación elástica, y fonones ópticos.
Tras la introducción, en el primer capítulo se desarrollan los métodos numéricos más importantes: primero un método de interpolación no oscilante (PWENO), necesario para evitar las oscilaciones producidas por la reconstrucción por polinomios de Lagrange, que incrementa la variación total cuando aparecen choques: las oscilaciones en el espacio de fases son características del problema, pero si el método añade oscilaciones espúreas (es decir, debidas al método en sí), entonces el resultado numérico no tiene sentido, o simplemente explota. El segundo método numérico fundamental es la técnica de splitting: cuando se resuelve un problema complicado, si se puede dividir en sub-problemas y resolverlos por separado, entonces se puede reconstruir una aproximación para el problema completo; esta técnica se usa para el time splitting (separación de la parte de transporte y de colisión) y el splitting dimensional (dividir el espacio de fases en posición y velocidad). La tercera herramienta fundamental es un sólver para advección lineal: se usan dos métodos, uno basado en trazar hacia atrás las características a nivel puntual y otro basado en reconstruir valores integrales en segmentos en lugar de puntos; el primero controla mejor las oscilaciones, el segundo fuerza la conservación de masa.
En el capítulo 2 estos métodos se aplican a algunos tests conocidos para averiguar su solidez.
En el capítulo 3 estos métodos se aplican a la simulación de un diodo, y los resultados se comparan con resultados anteriores obtenidos por esquemas Runge-Kutta basados en diferencias finitas para aproximar las derivadas parciales.
El capítulo 4 está dedicado a la construcción y simulación de modelos intermedios entre una ecuación cinética, con operador de colisión de tipo relajación, y su aproximación más grosera, ésta última siendo la ecuación del calor. Para obtener modelos intermedios, se busca un cierre de las ecuaciones de los momentos de orden cero y uno. Se proponen esquemas "asymptotic-preserving" para la ecuación cinética, que evitan la stiffness de la parte de advección a través de una descomposición de la función de distribución en su media más fluctuaciones. En cuanto a las clausuras de las ecuaciones de los momentos, se proponen esquemas de relajación para aislar las no-linealidades. Estos métodos son aplicados a un test conocido, el Su-Olson test.
El último capítulo está dedicado a la simulación de un MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 2D de dimensión nanométrica en el que los electrones se comportan como partículas en una dimensión y como ondas en las dimensiones confinadas. La descomposición en sub-bandas se realiza a través de una ecuación de Schrödinger 1D en estado estacionario. Las dimensiones, así como las sub-bandas, están acopladas por la ecuación de Poisson en la expresión de la densidad, y por el operador de colisión. Se propone un sólver microscópico para estados transitorios, basado en técnicas de splitting para las BTEs (una para cada nivel de energía), métodos de características para el transporte y una iteración de tipo Newton para resolver el problema acoplado Schrödinger-Poisson para el cálculo del campo de fuerza.
This thesis is dedicated to the development, application and test of numerical methods for the numerical simulation of problems arising from physics and electronic engineering. The main tool which is used all along the work is the Vlasov (transport) equation in the form of the Boltzmann Transport Equation (BTE) for the description of the transport and collisions of charged particles in plasmas and electronic devices: charge carriers are driven by a force field and scattered by other carriers or phonons (pseudo-particles giving an effective representation of the oscillating field produced by the vibrating ions).
The BTE must be coupled to an equation or a system of equations for the computation of the force field: for simple structures the Poisson equation is used; for plasmas, where the magnetic phenomena cannot be neglected due to the high velocities of the particles, the Lorentz force is used, so the Maxwell equations have to be solved; for nanostructures, e.g. transistors with confined dimensions, the Poisson equation needs coupling with Schrödinger equation for the description of the quantum dimensions and the decomposition into subbands, or energy levels.
Collisions mean the scattering the carriers suffer due to the interactions with other carriers or the fixed lattice, in form of phonons. All along the thesis several scattering operator are used: the simplest ones are linear relaxation-time operators; a model for the simulation of a semiconductor is studied in which collisions are taken into account with acoustic phonons, in the elastic approximation, and optical phonons.
After the introduction, in the first chapter the most important numerical methods are developed: first of all a pointwise non-oscillatory interpolation method (PWENO) needed to avoid the simple Lagrange polynomial reconstruction, which increases the total variation when shocks appear: oscillations are part of the physics of the problem, but if the method adds spurious, non-physical oscillations, then the numerical result is meaningless, or it simply blows up. The second fundamental numerical method is the splitting technique: when solving a complicated problem, if we are able to subdivide it into sub-problem and solve them for separate, then we can reconstruct an approximation for the complete problem; this technique is used for both time splitting (separate transport from collisions) and dimensional splitting (split the phase space into either dimensions). The third fundamental instrument is the solver for linear advections: two methods are used, one based on pointwise following backwards the characteristics and another one based on reconstructing integral values along segments instead of point values; the first one controls better oscillations, the second one forces mass conservation.
These methods are applied in chapter 2 to some well-known benchmark tests to control their robustness.
In chapter 3 these methods are applied to the simulation of a diode, and the results compared to previous results obtained by Runge-Kutta schemes based on finite differences schemes for the approximation of the partial derivatives.
Chapter 4 is dedicated to the construction and simulation of intermediate models between a kinetic equation, with relaxation-time collision operator, and its coarsest approximation, this one being the heat equations. In order to obtain intermediate models, the moment equations are closed at zeroth and first order. Asymptotic-preserving schemes are proposed for the kinetic equation, which avoid the stiffness of the advection part by decomposing the distribution function into its average plus fluctuations. As for the moment closures, relaxation schemes are proposed in order to confine the non-linearities in the right hand side. These methods are then applied to a known benchmark, the Su-Olson test.
The last chapter is dedicated to the simulation of a nanoscaled 2D MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor) in which electrons behave as particles in one dimension and as waves in the confined dimensions. The subband decomposition is realized through a stationary-state 1D Schrödinger equation. The dimensions as well as the subbands are coupled by the Poisson equation in the expression of the density and by the collision operator. A transient-state microscopic solver is proposed, based on splitting techniques for the BTE's (one for each energy level), characteristics methods for the transport and a Newton iteration for the solution of the coupled Schrödinger-Poisson system for computing the force field.

Dans cette thèse, nous étudions l'ensemble des solutions d'équations aux dérivées partielles résultant de modèles d'astrophysique et de biologie. Nous répondons aux questions de l'existence, mais aussi nous essayons de décrire le comportement de certaines familles de solutions lorsque les paramètres varient. Tout d'abord, nous étudions deux problèmes issus de l'astrophysique, pour lesquels nous montrons l'existence d'ensembles particuliers de solutions dépendant d'un paramètre à l'aide de la méthode de réduction de Lyapunov-Schmidt. Ensuite un argument de perturbation et le théorème du Point xe de Banach réduisent le problème original à un problème de dimension finie, et qui peut être résolu, habituellement, par des techniques variationnelles. Le reste de la thèse est consacré à l'étude du modèle Keller-Segel, qui décrit le mouvement d'amibes unicellulaires. Dans sa version plus simple, le modèle de Keller-Segel est un système parabolique-elliptique qui partage avec certains modèles gravitationnels la propriété que l'interaction est calculée au moyen d'une équation de Poisson / Newton attractive. Une différence majeure réside dans le fait que le modèle est défini dans un espace bidimensionnel, qui est expérimentalement consistant, tandis que les modèles de gravitationnels sont ordinairement posés en trois dimensions. Pour ce problème, les questions de l'existence sont bien connues, mais le comportement des solutions au cours de l'évolution dans le temps est encore un domaine actif de recherche. Ici nous étendre les propriétés déjà connues dans des régimes particuliers à un intervalle plus large du paramètre de masse, et nous donnons une estimation précise de la vitesse de convergence de la solution vers un profil donné quand le temps tend vers l'infini. Ce résultat est obtenu à l'aide de divers outils tels que des techniques de symétrisation et des inégalités fonctionnelles optimales. Les derniers chapitres traitent de résultats numériques et de calculs formels liés au modèle Keller-Segel

Various properties of linear infinite-dimensional Hamiltonian systems are studied. The structural stability of the Vlasov-Poisson equation linearized around a homogeneous stable equilibrium [mathematical symbol] is investigated in a Banach space setting. It is found that when perturbations of [mathematical symbols] are allowed to live in the space [mathematical symbols], every equilibrium is structurally unstable. When perturbations are restricted to area preserving rearrangements of [mathematical symbol], structural stability exists if and only if there is negative signature in the continuous spectrum. This analogizes Krein's theorem for linear finite-dimensional Hamiltonian systems. The techniques used to prove this theorem are applied to other aspects of the linearized Vlasov-Poisson equation, in particular the energy of discrete modes which are embedded within the continuous spectrum. In the second part, an integral transformation that exactly diagonalizes the Caldeira-Leggett model is presented. The resulting form of the Hamiltonian, derived using canonical transformations, is shown to be identical to that of the linearized Vlasov-Poisson equation. The damping mechanism in the Caldeira-Leggett model is identified with the Landau damping of a plasma. The correspondence between the two systems suggests the presence of an echo effect in the Caldeira-Leggett model. Generalizations of the Caldeira-Leggett model with negative energy are studied and interpreted in the context of Krein's theorem.
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