反常电子粘滞性引起的双撕裂模非线性演化

[目的]在常规电阻撕裂模方程的基础上加入反常电子粘滞性,用圆柱位形的磁流体动力学,对由反常电子粘滞性引起的双撕裂模的非线性发展做了数值研究。[方法]通过对非线性发展阶段磁岛和磁力线的演化分析,详细研究了两个有理面间距分别为较大、中等、较小3种情况下,由反常电子粘滞性引起的双撕裂模非线性发展的不同阶段的磁场拓扑结构的变化以及相关动力学特征,探讨了非线性发展的驱动问题。[结果]研究表明,两个有理面的间距的大小,对双撕裂模非线性发展有很大影响。间距中等时,会发生快速磁重联,对位形破坏最快最大。[结论]研究结果对托卡马克的位形设计和运行时的控制提供了参考。

双撕裂模非线性演化过程中有理面上的剪切流

在二维平板几何模型下,利用磁流体力学方程组数值模拟托卡马克装置中双撕裂模非线性演化过程中有理面上剪切流的时间和空间分布.结果表明,双撕裂模非线性演化的早期阶段,有理面上没有形成明显的剪切流.剪切流主要存在于快速磁重联阶段,随着磁重联的结束而逐渐消失,剪切流的强度和空间分布随磁岛的演化而改变.另外,较大的等离子体电阻加速磁重联,但是对剪切流的强度和变化趋势没有直接的影响.

反常电子粘滞性引起的线性双撕裂模研究

用圆柱位形的磁流体动力学方程对由反常电子粘滞性引起的双撕裂模的线性行为做了数值研究。分析了两个有理面的间距、粘滞率大小和极向模数对双撕裂模模式结构的影响,给出了各种情况下双撕裂模线性增长率跟表征反常电子粘滞率大小的电子雷诺数的定标关系。

多层电流片中双撕裂模耦合的压强效应

应用边界层理论研究了等离子体压强对多层电流片中m≥ 2的双撕裂模耦合的线性和非线性发展行为的影响 .考虑等离子体的压强效应 ,在一阶近似下 ,解析求得了环位形中双撕裂模的外区匹配参数Δ′.结果表明 ,当等离子体 β 1时 ,等离子体压强对双撕裂模的两有理面模之间通过撕裂模外区发生耦合作用的线性行为没有定性影响 .虽然等离子体压强将影响双撕裂模耦合的非线性行为 ,但是主要表现在对其单模项的影响 ,而对由于两有理面模之间的耦合作用产生的耦合项的影响却很小 .

多层电流片中双撕裂模的耦合

应用边界层理论研究了多层电流片中m≥2的双撕裂模的耦合发展行为．在一阶近似下，解析求得了环位形中撕裂模的外区匹配参数Δ，所得结论对撕裂模的线性和非线性发展均有意义．结果表明，两有理面模之间的耦合总是使双撕裂模更不稳定．耦合的强度不仅与两有理面之间的距离和平衡状态有关，而且与模在两有理面发展的相对强弱有关．两有理面相距愈远，耦合相对愈弱；发展强的有理面处的模对另一有理面处的模影响更大．本文用所得结论对双撕裂模的初始非统性发展行为进行了分析．多层电流片中撕裂模不稳定性引起的自发重朕，可能对太阳耀斑、日冕加热、太阳风和磁层耦合等有重要影响．

不同初始平衡磁剪切对共振磁扰动诱发的双撕裂模的影响

为了量化分析不同初始平衡磁剪切对共振磁扰动诱发的双撕裂模的影响,提出基于非线性多参数约束的不同初始平衡磁剪切对共振磁扰动诱发的双撕裂模控制模型。构建磁剪切对共振磁扰动诱发的控制约束参量模型,采用极低频外电场持续扰动方法进行不同初始平衡磁剪切对共振磁扰动建模,结合容积卡尔曼滤波方法进行共振磁扰动诱发的抑制处理,提取不同初始平衡磁剪切对共振磁扰动诱发的量化特征量。采用随机量化博弈和定量递归分析方法进行共振磁扰动诱发的双撕裂模自适应控制,分析共振磁扰动诱发对双撕裂模的稳定性控制因素,结合不同的刺激参数进行自适应参数估计和寻优,实现不同初始平衡磁剪切对共振磁扰动诱发的双撕裂模的定量递归分析。仿真结果表明,采用该方法进行共振磁扰动诱发双撕裂模的稳定性控制能力较好,收敛性较强,提高了双撕裂模的磁鲁棒性。

射频波电流驱动抑制双撕裂模不稳定性研究

采用不可压缩磁流体模型,在圆柱位形下研究了射频波电流驱动对双撕裂模不稳定性的影响。结果表明,托卡马克装置中沉积在有理面上的同向驱动电流能有效减缓3/1双撕裂模的发展。电流驱动幅值约占等离子体电流初始值的4%、驱动电流沉积宽度约为小环半径的7%时,抑制效果较好。此外,研究表明,在双撕裂模进入快速增长阶段前加入外部驱动电流,才能有效抑制撕裂模的磁爆发。

基于有限体积法数值模拟双撕裂模非线性演化

以磁流体理论为基础,采用基于有限体积法的通量差分分裂格式数值求解具有双曲保守律形式的电阻磁流体方程组。编写C++程序对平板几何位形下的等离子体双撕裂模进行了长时间数值模拟,得到双撕裂模不稳定性的演化图景,捕捉到了双撕裂模非线性发展过程中磁场重联的几个典型阶段,讨论了等离子体电阻和两个有理面之间的距离对双撕裂模不稳定性非线性发展的影响。为研究磁流体动力学提供了一种可行的高精度数值算法。

等离子体中双撕裂模线性增长率分析

在托卡马克等离子体中,撕裂不稳定存在已被人们广泛认识,针对双撕裂模线性增长情况,采用边界层法对其增长率进行了分析,并进行了数值模拟。

剪切流对双撕裂模不稳定性的影响

采用二维可压缩磁流体模型,在平板位型下研究了剪切流对双撕裂模不稳定性的影响。具体分析剪切流的幅值和流剪切对双撕裂模不稳定性的影响,发现剪切流幅值越大,剪切流对双撕裂模抑制效果越好,而流剪切强度对双撕裂模的影响受剪切流幅值的影响。当剪切流幅值较小时流剪切强度对双撕裂模演化时间的影响是非线性的,当剪切流幅值较大时,流剪切强度越大双撕裂模的演化时间越长,抑制作用越强。综合来看,剪切流幅值对双撕裂模的影响更大。

黏滞等离子体中双撕裂模不稳定性的数值模拟研究

本文采用磁流体力学模型,数值研究了平板位形下双撕裂模线性增长率关于等离子体电阻η和黏滞υ的定标关系.结果表明,对于有理面间距较大的情况,线性增长率关于电阻和黏滞的指数定标率随着黏滞的增加逐渐由γ∝η^(3/5)υ~0的定标变化到γ∝η^(5/6)υ^(-1/6)的定标;而对于有理面间距较小的情况,其指数定标率随着黏性的增加从γ∝η^(1/3)υ~0的定标逐渐变化到γ∝η^(2/3)υ^(1/3)的定标.本文还给出了初始阶段对称的双撕裂模的非线性演化,发现在非线性阶段对称的双撕裂模将转化为反对称的双撕裂模,并解释了相应的物理机理.

EAST反磁剪切q_(min)≈2条件下磁流体力学不稳定性及内部输运垒物理实验结果简述

托卡马克装置内,建立和维持内部输运垒结构是提高等离子体约束的重要保障.本文简单概述了EAST反磁剪切q_(min)≈2实验条件下建立和维持内部输运垒的关联物理过程:“离轴锯齿”和双撕裂模不稳定性;快离子激发的阿尔芬波不稳定性;热粒子激发的低频模不稳定性等.首先,“离轴锯齿”是判断实验条件q_(min)≤2的重要依据.文中详细介绍了“离轴锯齿”的激发条件、分类方式和先兆模结构等基本特征,其崩塌事件由m/n=2/1双撕裂模磁重联诱发产生.其次,在“离轴锯齿”振荡期间,快离子很容易激发比压阿尔芬本征模和反剪切阿尔芬本征模.这两类阿尔芬本征模的环向模数为1≤n≤5,径向位置为环向区域1.98 m≤R≤2.07m(磁轴R0≈1.9 m,归一化小半径0.2≤ρ≤0.45).简述阿尔芬波的激发条件和3种不同物理量(热压力梯度、快离子分布函数和环向流速剪切)等之间的关系.第三,在“离轴锯齿”振荡期间,热压力梯度可以诱发低频模不稳定性.利用一般鱼骨模色散关系很容易得出EAST上低频模的基本特征:1)离子抗磁漂移频率大小;2)阿尔芬波极化方向;3)反应型动理学气球模特征.低频模不稳定性的激发不依赖快离子,主要发生在高的压力梯度区α∝(1+τ)(1+ηi),τ=Te/T_(i),ηi=Lni/LT_(i),也即是足够高的τ和ηi.最后,“离轴锯齿”不稳定性的抑制和内部输运垒结构的建立.EAST内q_(min)≈2条件下内部输运垒建立过程中包括3个重要过程:1)切向(NBI1L)注入比垂直方向(NBI1R)注入的中性束更容易缓解“离轴锯齿”的爆发周期;2)存在“离轴锯齿”的情况高效缓解微观不稳定性,且此位形更有利于内部输运垒结构的建立;3)内部输运垒建立过程中伴随阿尔芬波(1≤n≤5)不稳定性的激发,内部输运垒维持期间存在热离子温度梯度激发的中尺度微观不稳定性(5≤n≤10)等.因此,理解和掌握“离轴锯齿”实验条件的建立和抑制、阿尔芬波的激发和快离子的再分布、热压力梯度相关不稳定性等物理过程,对于内部输运垒形成机制的理解具有重要的借鉴意义.