托卡马克L模放电漂移波-带状流系统及阵发实验的理论-数值研究

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带状流是具有一维时空结构的流体速度场。漂移波是非均匀媒质中由压强梯度自由能驱动的高模数的波。人们普遍接受二者是所谓的漂移波-带状流系统的两个基本成分。特别的,托卡马克中的带状流是指由带状的静电势涨落的径向变化产生的EXB速度;轴对称托卡马克中的漂移波是与某个有理面相关的在径向的定域的驻波,在极向的传播是行波。尽管带状流在介观尺度,漂移波中存在两种不同的尺度:微观尺度的线性本征模和介观尺度的漂移波波能。带状流和漂移波的非线性相互作用包含两个方面:(1)带状流由漂移波的雷诺协强驱动,漂移波波能受到带状流调制,调制可以是幅度和/或相位;(2)带状流的剪切抑制漂移波湍流的幅度。在本文中,我们主要研究由相位调制导致的带状流激发机制。尽管这种不同尺度的系统在等离子体物理中很常见,将它应用到托卡马克位形中具有相当大的挑战性。两个介观尺度的非线性量——雷诺协强和漂移波群速度的准确计算要求知道二维本征模结构。利用弱不对称气球理论(WABT)和多重尺度导数展开法,更精确地,利用WABT解提供的自然边界条件采用迭代有限差分法,我们计算了这两个量。将得到的雷诺协强和漂移波群速度分别代入平板带状流方程和漂移波波能方程,按照纯相位调制的理论模型必须在非线性框架下研究,作为一个始值问题在实空间中数值求解。数值结果表明,在漂移波波能的周期性演化中存在两个连续的阶段——腔子(caviton):负能中缓慢呼吸的空间定域结构,和瞬子(instanton):快速传播的短寿命的精细径向结构。腔子到瞬子的相变是由径向群速度过零诱发的。对平板带状流模型,低频带状流(LFZF)的很多特征与实验观测相似。对环形带状流模型,带状流存在两个分支:环形修正的低频带状流(TLFZF)和测地声模(GAM)。我们发现当TLFZF增长到一定水平时,由腔子到瞬子的相变与GAM的出现有很强的关联。数值结果展现了很多托卡马克实验观测的阵发特征。我们推断GAM的阵发是决定性的。
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