Théorie, simulation et expériences numériques

La théorie, la modélisation et les simulations complètent les études expérimentales en donnant accès à des quantités qui sont difficiles ou impossibles à déterminer expérimentalement, et permettant une meilleure compréhension de la physique sous-jacente. La validation des codes développés s’effectue aussi bien par des comparaisons quantitatives avec les expériences, qu’avec des modélisations de cas de références entre plusieurs codes. Les sources présentent une grande variété de conditions et sont fortement hors équilibre ce qui rend les effets cinétiques sur le transport, la chimie et l’interaction avec les surfaces sont fondamentaux. Par conséquent, les travaux de modélisation reposent sur la combinaison de modèles “fluides" (basés sur les moments de l’équation de Boltzmann) et de modèles entièrement cinétiques tels que les méthodes de Monte Carlo et les simulations de particules dans des cellules (PIC/MCC).
Une partie importante des activités de modélisation du LPP se concentre sur la vérification et la validation des approches numériques par rapport aux expériences, ce qui permet de revoir la physique fondamentale des décharges. Un benchmark international a notamment été mené par le LPP où sept codes PIC développés indépendamment d’un propulseur à effet Hall ont été comparés. Cette comparaison a permis d’analyser la convergence des modèles PIC et de s’assurer de la reproductibilité des instabilités identifiées. Une avancée majeure et originale de ces codes est la possibilité d’effectuer des "diagnostics numériques", en simulant à la fois le plasma et la réponse que pourrait avoir un diagnostic expérimental à ce plasma. Cette technique a par exemple été utilisée pour étudier un diagnostic de diffusion Thomson collective virtuelle sur des données PIC afin d’étudier ces petites échelles liées au transport anormal et de relier la simulation et les expériences.
D’autre part, la physique des jets de plasma à pression atmosphérique et leurs interactions avec les surfaces ont été étudiées à la fois numériquement et expérimentalement. Une comparaison approfondie a été présentée, incluant le champ électrique dans le plasma mais aussi dans des surfaces diélectriques sous exposition au plasma, l’énergie moyenne des électrons et la densité du nombre d’électrons ainsi que la charge des cibles, ce qui permet d’évaluer la fidélité des modèles et de fournir des perspectives d’améliorations futures à la fois pour les modèles et les expériences. Un autre exemple à basse pression cette fois, est celui d’un modèle théorique qui a été comparé à des mesures de striations dans des plasmas radiofréquences fournissant une toute nouvelle interprétation de ces instabilités.
Les activités de l’équipe comportent également des activités théoriques qui abordent notamment des problèmes fondamentaux tels que le développement d’un modèle macroscopique capable de capturer les effets cinétiques dans les décharges à basse température. Un modèle fluide d’ordre élevé a été dérivé de la théorie cinétique, permettant des termes de fermeture avec peu de collisions et la modélisation des effets de transport non locaux d’une manière efficace. De même, les efforts pour dériver de nouveaux schémas numériques basés sur l’analyse numérique de pointe ont été poursuivis, ce qui permet des simulations numériques plus efficaces.