Turbulencia Hall-MHD en un campo magnético fuerte

• Autores: Martín, Luis N.
• Año de publicación: 2013
• Idioma: inglés
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Dmitruk, Pablo Ariel
• Materia: EFECTO HALL; TURBULENCIA; MAGNETOHIDRODINAMICA; MHD; HALL-MHD; HALL EFFECT; TURBULENCE; MAGNETOHYDRODYNAMICS; MHD; HALL-MHD
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

En términos generales existen dos perspectivas para modelar la dinámica de l os plasmas. Por un lado están los modelos cinéticos y por el otro los modelos de medios continuos (o modelosde fluidos). La teoría cinética describe a los plasmas desde la naturaleza microscópicadel sistema. Las teorias de fluídos por otro lado describen de manera natural los fenómenos aescalas macroscópicas. La mayor complicación del estudio de la turbulencia magnetohidrodinámica (y también lahidrodinámica) es que es un problema de multiescalas. Los rangos de escala que están en losextremos (macro y micro) son claros dominios de una y otra teoría, sin embargo las escalas quese encuentran entre las escalas MHD y la escala de Kolmogorov (o de disipación) son un rangocontroversial al respecto. En esta tesis se introducen efectos cinéticos en la magnetohidrodinámica de medios continuos,a traves de modelos de dos fluidos que consideran la separación entre iones y electrones, En particular, se desarrolla un modelo aproximado de dos fluidos para plasmas con campomagnético fuerte que presenta importantes ventajas computacionales. El interes en el efectodel término Hall con campo magnético fuerte está motivado por las observaciones geofísicas,astrofísicas y la implementación tecnológica de confinamiento por medio de guías magnéticas. El primer paso consistió en testear el modelo aproximado frente al modelo Hall-MHDgeneral. Luego desarrollamos un estudio detallado que incluyó múltiples puntos de vista. Mostramos que el efecto Hall afecta los valores de las las magnitudes globales y sus tiemposcaracterísticos. La distribución de energía por escalas se ve también modificada, incrementándoseel rango de escalas disipativas. Se modifican las estructuras del flujo cambiando su formay tamaño en las escalas comprendidas entre el ion skin depth (o escala de Hall) y la escala de Kolmogorov. Se reduce la intermitencia espacial y la autosimilaridad del flujo se incrementatendiendo a lamonofractalidad. Se analiza el efecto sobre la formación y estructura de las hojasde corriente. Se analizan las propiedades estadísticas del flujo, en particular la fractalidad y elefecto sobre la dimensionalidad de las estructuras responsables de la disipación. Finalmente,extendemos los primeros efectos cinéticos mas allá del efecto Hall introduciendo la inerciaelectrónica y presentamos resultados preliminares que muestran que la masa electrónica afectala dinámica mas allá de los efectos del término Hall.
There are broadly two approaches for modeling the dynamics of plasma. On one side arethe kinetic theory models and on the other continuum models (or fluid models). The kinetictheory describes the plasmas from a microscopic point of view. On the other hand, the fluidmodels describe phenomena at macroscopic scales. The major complication in the study of magnetohydrodynamic turbulence (and hydrodynamic)is that it is a multi-scale problem. The scale ranges that are at the extremes (macro andmicro) are clearly domains of one theory or the other, however, scales between MHD scale and Kolmogorov (or dissipation) scales are controversial. In this thesis we introduce the first kineticeffects into the continuous media magnetohydrodynamic description, considering a two-fluidmodel, which thakes into accounr the separation between ions and electrons. In particular, we develop an approximate model of two fluids for plasmas with a strongmagnetic fields, where variations along the direction of the magnetic field are smoother thantransverse variations. This approximate model shows imortant computational advantagesagainst the fully general tridimensional Hall MHD model. The interest in the effect of the Hall term in a strong magnetic field is in turn motivated by geophysical and astrophysicalobservations, and technological implementation of confinement through magnetic guides. The first step was to test the approximante model with the full general Hall-MHD model. We then developed a detailed study which included multiple points of view. We showed thatthe Hall effect affects the values global quantities and their characteristic times. It also modifiesthe distribution of energy among scales, increasing the range of dissipative scales. It affectsflow structures changing its shape and size between the ion skin depth (Hall scale) and Kolmogorov scale. The intermittency is reduced and self-similarity of the flow increases approachingmonofractality. We analyzed the effects on the formation and structure of currentsheets (important for the energy dissipation). We studied the statistical properties of the flow,particularly the fractality and the effect on the dimensionality of the structures responsible forthe dissipation. Finally, we extend the first kinetic effects beyond the Hall effect, considering electron inertiaand introduce preliminary results showing that the electronic mass affects the dynamicsbeyond the effects of the Hall term.
Fil: Martín, Luis N.. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.