Gyrokinetic simulations of electric current generation in ion temperature gradient driven turbulence
在无碰撞极限下的陀螺动力学模拟展示了湍流驱动电流的物理机制和幅度。模拟结果显示了湍流驱动流的时空变化及其与雷诺应力和湍流加速度的关系。利用准中性方程的任意波长解,在有理曲面附近观察到湍流感应电流的精细结构(几个离子拉莫尔半径)。雷诺应力的发散在这些精细结构的产生中起着重要作用。所谓的“自发”电流的特点是在合理的表面附近具有大的局部幅度。
2021-10-27 physics.plasm-ph
Gyrokinetic continuum simulations of plasma turbulence in the Texas Helimak
第一个陀螺动力学模拟等离子体湍流在得克萨斯州Helimak设备,一个简单的磁化环面。该装置具有类似于托卡马克的刮除层区域的功能,例如不良曲率驱动的不稳定性和端板上的鞘边界条件,这些都包括在这些模拟中。模拟和实验测量之间的比较显示出相似之处,包括接近实验值的平衡曲线和波动幅度,但也有一些重要的定量差异。实验和模拟结果都表现出湍流统计特性的斑点运输。
2019-03-14 physics.plasm-ph
Integrated modelling and multiscale gyrokinetic validation study of ETG turbulence in a JET hybrid H-mode scenario
以前的研究与第一原理为基础的综合建模表明,ETG湍流可能会导致反GyroBohm同位素缩放在JET高性能混合H模式的情况下。一项针对高保真湍流模型的专门比较研究证实了这一说法。包含磁场扰动的离子尺度湍流可以在温度梯度误差范围内匹配功率平衡通量。多尺度gyrokinetic模拟从两个不同的代码产生没有显着的ETG热通量,表明简单的经验法则是不够的标准,其发病。
2022-09-20 physics.plasm-ph
Considering Fluctuation Energy as a Measure of Gyrokinetic Turbulence
在回旋运动理论中,有两个二次的涨落能量测量,在非线性相互作用下保持不变,限制湍流。最近的工作Plunk和Tatsuno [物理。106,165003(2011)]报道了该约束对光谱能量转移的方向和局部性具有的新颖后果。本文就是在这项工作的基础上编写的。我们提供了详细的分析,以支持普伦克和龙野的结果,但也显着扩大了范围,并使用额外的方法来解决能量转移的问题。这里的观点是,波动能量不仅是理想化模型(二维回旋动力学)的形式不变量,而且是回旋动力学湍流的一般度量,即可以用来预测湍流行为的量。虽然许多悬而未决的问题仍然存在,本文收集的证据支持这一观点,在几种情况下,受约束的光谱能量转移管理的动态。
2012-10-18 physics.plasm-ph
The energetic coupling of scales in gyrokinetic plasma turbulence
从自由能交换的角度分析了磁化等离子体湍流中由于非线性相互作用而引起的垂直空间尺度的耦合。在这里考虑的等离子体,适当的离子或电子绝热电中性响应,所描述的回旋形式主义的环形磁几何。由于温度梯度不稳定性(离子温度梯度(ITG)或电子温度梯度(ETG))驱动的静电涨落,湍流发展。该分析包括将系统分解成一系列尺度结构,同时分别考虑具有特殊对称性的模式(例如,纬向流模式)。这些尺度的相互作用进行了分析,使用能量传递函数,包括向前和向后的分解,尺度通量和局部功能。ITG和ETG情况之间的比较表明,ETG湍流具有更明显的经典湍流行为,表现出更强的能量级联,与gyrokinetic湍流建模的影响。
2014-07-03 physics.plasm-ph
Gyrokinetic particle-in-cell simulations of electromagnetic turbulence in the presence of fast particles and global modes
本文利用回旋粒子格子程序ORB 5(E. Lanti等人,Comp.Phys.Comm.,${\bf 251}$,107072(2020))和EUTERPE(V.Kornilov等人,Phys.Plasmas,${\bf 11}$,3196(2004))。模拟这种复杂的耦合系统的计算可行性证明。
2022-03-22 physics.plasm-ph
Gyrokinetic investigation of Alfvén instabilities in the presence of turbulence
采用全局电磁回旋动力学粒子模拟程序ORB 5研究了磁约束等离子体中Alfvén模(AM)与离子温度梯度(ITG)湍流之间的自洽相互作用.在这里,一个轴对称的磁平衡与反向剪切和大的纵横比被认为是。通过引入超热离子群,使环模数n=5的AM不稳定。一旦AM在充分发展的湍流的存在下饱和,离子热通量由AM及其主要谐波主导。ITG诱导的运输也被发现在不稳定的AM的存在下增强。
2019-12-19 physics.plasm-ph
Gyrokinetic Continuum Simulation of Turbulence in Open-Field-Line Plasmas
托卡马克中边界等离子体的性质在决定聚变功率和等离子体元件寿命方面起着关键作用。准确的定量建模和提高定性的理解边界等离子体最终需要五维陀螺湍流模拟,这已经成功地预测湍流和运输的核心。边界等离子体模拟的额外挑战需要开发新的gyrokinetic代码或对现有核心gyrokinetic代码进行重大修改。在这篇论文中,我们开发了第一个能够模拟开放磁场线上等离子体湍流的回旋动力学连续体代码,这是托卡马克刮除层的一个关键特征。在这个问题上,我们使用一个能量守恒的不连续Galerkin离散空间中的尝试。为了模拟等离子体和壁之间的相互作用,我们设计了导电鞘边界条件,允许局部电流进出壁。首先,我们设计的空间一维动力学模型的并行SOL动态和解决这些系统使用新的连续算法。通过将这些算法推广到更高的维度,并添加一个碰撞模型,我们提出了两种类型的开放场线系统上的第一个gyrokinetic连续模拟湍流的结果。第一个模拟的特点是均匀和直的场线,如在一些线性等离子体设备中发现的。第二个模拟是一个假设的模型,我们开发的NSTX刮削层具有螺旋场线。这些发展包括一个重大的一步,对磁聚变装置的边界等离子体中的湍流和运输的定量预测的回旋动力学连续代码。
2017-08-24 physics.plasm-ph
Gyrokinetic turbulence: between idealized estimates and a detailed analysis of nonlinear energy transfers
使用GK湍流的大分辨率数值模拟,跨越从流体尺度的末端到电子回旋半径的间隔,我们研究了在垂直方向上的质子-电子等离子体在板状磁几何形状的能量转移。此外,为了帮助我们理解的非线性级联,我们使用一个理想化的测试表示两个尺度之间的能量转移,模仿在无限惯性范围内的湍流动力学。对于GK湍流,详细分析了能量交换尺度分离的非线性能量传递。我们表明,局部功能与跨二进(即两个的倍数)分离尺度的能量级联实现渐近状态,恢复明确的局部指数值。我们将这些指数与两个尺度之间的能量交换相关,诊断比局部函数的计算量小。这是第一次渐近局部性存在GK湍流和高度非本地相互作用,以前在文献中报道的贡献,被解释为非常本地的能量转移,发生在波数在同一个二进信号。这里提出的结果和它们的影响进行了讨论,从以前的研究结果在文献中报道的角度和GK湍流的普遍性的想法。
2017-08-21 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Full-$f$ gyrokinetic simulation of turbulence in a helical open-field-line plasma
采用静电五维回旋动力学连续介质模拟方法,研究了全坏曲率螺旋平板几何条件下,螺旋开场线等离子体中曲率驱动的湍流。在模型中使用了国家球形环实验刮除层等离子体的参数。等离子体斑点的形成和对流径向运输的观察,它表明,径向粒子运输水平是几倍高于扩散玻姆运输估计。通过减小极向磁场的强度,观察到偏滤器板的热通量的轮廓变宽。
2018-10-22 physics.plasm-ph
Is Turbulence able to Generate Magnetic Islands in Tokamaks? Gyrokinetic Simulations of Turbulence-Driven Magnetic Islands in Toroidal Geometry
本研究利用环形几何中的陀螺动力学模拟,揭示微观不稳定性通过 E×B 流驱动重联并形成、合并磁岛的普适机制,且该机制不依赖微观不稳定性的宇称。
2025-09-29 physics.plasm-ph
Applications of Large Eddy Simulation methods to gyrokinetic turbulence
大涡模拟(LES)的方法-数值求解大尺度的湍流系统和占小尺度的影响,通过一个模型-被施加到非线性gyrokinetic系统,是由一些不同的微观不稳定性。模拟,较低的分辨率和较高的分辨率模拟之间的比较进行实验可测量的量,电子密度波动谱。此外,LES的验证和适用性证明通过一系列的诊断系统的自由能的基础上。
2013-12-03 physics.plasm-ph
Direct multiscale coupling of a transport code to gyrokinetic turbulence codes
用多尺度陀螺动力学程序TRINITY直接耦合输运解算器和局部非线性陀螺动力学计算[M。巴恩斯博士论文,arxiv:0901.2868]中描述。微观和宏观物理的耦合是在多尺度回旋理论的框架内完成的,我们提出的假设和关键结果。在空间和时间尺度分离的假设允许在小区域的时空网格,这是嵌入在一个粗略的网格上的输运方程隐式演变的湍流模拟。这导致了几个数量级的计算费用的减少,使得在约束时间内的完整聚变装置体积的第一原理模拟在当前计算资源上是可行的。TRINITY模拟的数值结果,并与JET和ASDEX升级等离子体的实验数据进行比较。
2009-12-10 physics.plasm-ph
Gyrokinetic continuum simulation of turbulence in a straight open-field-line plasma
本文采用全$f$间断Galerkin程序Gkeyll对直场线结构中的静电等离子体湍流进行了3D2V连续回旋动力学模拟。这些模拟包括聚变装置刮除层的基本要素:模拟从堆芯流出的等离子体的局部源、交叉场湍流输运、沿磁场线的平行流,以及在限制器或偏滤器处的平行损失和鞘模型边界条件。模型中使用的鞘层边界条件允许电流流过壁。除了详细的数值方法,结果从湍流的数值模拟的大型等离子体装置(LAPD),具有直磁场线的线性装置,提出。
2017-02-10 physics.plasm-ph
Random forcing with a constant power input for two-dimensional gyrokinetic simulations
本文发展了一种用于研究定常等离子体湍流的二维回旋动力学随机强迫方法。强迫项以恒定速率注入能量的性质使得能够在期望范围内建立湍流,并且能够在统计稳定状态下定量评估能量耗散通道。使用开发的方法,在大尺度流体和小尺度动力学制度的双折射证明,成功地再现了理论预测的标度律。
2021-03-26 physics.plasm-ph
Numerics and computation in gyrokinetic simulations of electromagnetic turbulence with global particle-in-cell codes
本文用全球回旋动力学粒子格子程序ORB 5研究了托卡马克和仿星器等离子体中的电磁湍流。Lanti等人,Comp. Phys. Comm,第251卷,107072(2020)]和EUTERPE [V. Kornilov等人,Phys. Plasmas,第11卷,3196(2004)]。大纵横比托卡马克,缩小规模的ITER,和Wendelstein 7-X几何被认为是。主要目标是增加等离子体β,机器尺寸,离子与电子质量比,以及在这样的模拟中包括逼真的几何特征。研究了在部署大规模GPU的计算机系统上的相关数值要求和计算成本。这些都是必要的步骤,使电磁湍流模拟在未来的反应堆等离子体。
2021-05-04 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulations on zonal flow-turbulence spreading coupling
Seoul National University(首尔大学);Korea Institute of Fusion Energy(韩国聚变能源研究所)
研究通过非线性gyrokinetic模拟揭示湍流扩散如何将zonal flow径向传播,扩展至线性稳定区域,并基于toroidal等离子体动量定理解释湍流驱动的涡旋输运与垂直动量生成的直接关系。
2026-04-22 physics.plasm-ph
Magnetic Fluctuations in Gyrokinetic Simulations of Tokamak Scrape-Off Layer Turbulence
理解托卡马克边缘和刮削层(SOL)中的湍流输运物理是研制成功聚变堆的关键。在这些区域中的动态起着关键作用,在实现高融合性能,通过确定边缘基座,抑制H模式中的湍流。此外,反应堆的存活率由容器壁的热负荷决定,因此了解热量沿SOL中的开放磁场线流动时的湍流扩散非常重要。大幅波动、磁X点几何形状以及等离子体与材料壁的相互作用使得模拟边缘/SOL中的湍流比核心区域更具挑战性,需要专门的陀螺动力学代码。此外,包括在陀螺运动模拟,可以处理边界等离子体的独特挑战的电磁效应是至关重要的理解的现象,如基座和ELMs,电磁动力学预计是重要的。在这篇论文中,我们开发了第一个能力来模拟开放磁场线上的电磁回旋湍流。这是一个重要的一步,全面的电磁陀螺运动模拟的耦合边缘/SOL系统。通过使用一个连续的全f的方法,通过一个节能的不连续Galerkin(DG)离散方案,避免了安培抵消问题,我们表明,电磁波动可以处理在一个强大的,稳定的,和有效的方式在Gkeyll代码的gyrokinetic模块。然后,我们提出的结果,大致模拟刮落层的国家球形环面实验(NSTX),并表明电磁效应可以影响斑点的动力学和运输。我们还制定了gyrokinetic系统在现场对齐的坐标建模现实的边缘和刮落层的几何形状在实验中。
2021-03-30 physics.plasm-ph
Nonlinear phase mixing and phase-space cascade of entropy in gyrokinetic plasma turbulence
弱碰撞磁化等离子体中的静电湍流可以解释为相空间中的熵级联,这被认为是磁化等离子体湍流中能量耗散的普遍机制。当热拉莫尔半径尺度的非线性去相关时间短于碰撞时间时,在亚拉莫尔尺度上的宽谱波动在速度和位置空间中被数值发现,具有理论预测的缩放。结果是重要的,因为他们确定什么可能是一个普遍的Kolmogorov式制度的动力学湍流,因为任何物理过程,产生波动的gyrophase独立的分布函数的一部分,可能会通过熵级联,导致在湍流加热的速率增加的波动幅度,但是独立的碰撞频率。
2009-06-30 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
A Weakly Nonlinear Theory of Zonal-Flow Forcing in Gyrokinetic Turbulence
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik(德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所)
基于弱非线性三波截断模型,研究微不稳定性驱动湍流对带状流的强迫生成,预测早期非线性阶段带状流k_ψ谱,并揭示驱动涨落对带状流相空间结构的约束导致残余谱增强。
2026-06-29 physics.plasm-ph
Global gyrokinetic simulations of ITG turbulence in the configuration space of the Wendelstein 7-X stellarator
本研究针对Wendelstein 7-X仿星器不同磁位形的湍流输运问题,采用GENE-3D代码开展全局回旋动理学模拟,对比三种位形的ITG湍流输运特性,并验证了全局非线性模拟在定量预测湍流通量方面的必要性。
2020-05-04 physics.plasm-ph
Evolution of self-organized structure, the internal transport barrier in the ion-temperature-gradient driven gyrokinetic turbulence
本文通过长时间非线性陀螺动力学全局模拟,利用邻域平衡更新方法加速计算,揭示了内部输运垒在磁轴处因向内湍流雪崩形成,并因向外雪崩导致自组织结构灾变扩展。
2023-11-16 nlin.AO physics.plasm-ph
The Structure of Plasma Heating in Gyrokinetic Alfvénic Turbulence
我们分析等离子体加热弱碰撞动力学阿尔文波(KAW)湍流使用高分辨率gyrokinetic模拟跨越离子和电子gyroradii之间的尺度范围。具有高于平均加热速率的真实空间结构被示出为不限于当前片。这一新的结果与以前的研究不一致,以前的研究使用局部电子流体框架中的电磁功,即$\mathbf{J} \!\cdot\! (\mathbf{E} + \mathbf{v}_e\times\mathbf{B})$,作为湍流耗散的代理,认为加热遵循电流的间歇性空间结构。此外,我们表明,电子主要由平行加热,而离子更喜欢垂直加热路线。我们评论的影响,在这里提出的结果。
2016-11-18 physics.plasm-ph
Multiscale nature of the dissipation range in gyrokinetic simulations of Alfvénic turbulence
在第一个回旋动力学模拟中,分析了从MHD范围的尾部到电子回旋半径尺度的所有尺度上Alfvén波湍流中的非线性能量传递和耗散。对于典型的太阳风参数在1 AU,约30%的非线性能量传递接近电子回旋半径尺度介导的模式在尾部的MHD级联。碰撞耗散发生在整个动力学范围$k_\perpρ_i\gtrsim 1$。因此,这两种机制都作用于多个耦合尺度上,为了全面了解Alfvénic湍流中的耗散范围,必须保留这些尺度。
2015-07-09 physics.plasm-ph physics.space-ph
Gyrokinetic studies of core turbulence features in ASDEX Upgrade H-mode plasmas
陀螺动力学验证研究是至关重要的发展信心的模型纳入数值模拟,从而提高其预测能力。作为这个方向的一步,我们模拟ASDEX升级与GENE代码放电,并分析各种波动量,并将它们与实验测量值进行比较。采取的办法如下。首先,进行线性模拟,以确定湍流状态。其次,在非线性模拟的热通量匹配实验通量通过改变对数离子温度梯度内预期的实验误差酒吧。最后,详细分析了各参量与离子温度梯度的关系。它被发现,密度和温度的波动可以显着变化,在这个参数的微小变化,从而与实验比较非常敏感的实验配置文件中的不确定性。然而,交叉相位是更强大的,这表明他们是更好的观测陀螺动力学模拟和实验测量之间的比较。
2015-01-21 physics.plasm-ph
Study of the impact of fast ions on core turbulence at rational surfaces via global gyrokinetic simulations
Institute for Fusion Studies, The University of Texas at Austin(德克萨斯大学奥斯汀分校聚变研究所)
本研究通过gyrokinetic模拟揭示快离子通过降低不稳定性阈值和生成zonal结构来抑制湍流,显著减少湍流输运。
2025-12-21 physics.plasm-ph
The effect of background flow shear on gyrokinetic turbulence in the cold ion limit
冷离子限制的本地gyrokinetic模型严格采取产生一个非线性系统的流体方程,其中包括背景流剪切。不需要流体闭合。通过考虑一个简单的磁漂移板的几何形状,但没有磁剪切,这些流体方程减少到Charney-Hasegawa-Mima模型中存在的流动剪切。该模型的解析解被发现,以研究ExB流剪切对单个平行速度梯度(PVG)驱动模式的稳定性的影响。此外,该模型被用来调查的基本三模式的非线性耦合,揭示了纬向和非纬向模式之间的差异的背景ExB流剪切的效果。这些分析结果与陀螺动力学模拟一致,可以作为基准的流动剪切和非线性耦合的数值实现。
2019-03-26 physics.plasm-ph
Gyrokinetic investigation of Alfvén instabilities in the presence of turbulence
利用自洽的全局回旋动力学方法和解析理论,研究了离子温度梯度湍流中高能粒子(EP)驱动的β诱导Alfvén本征模(BAE)的非线性动力学行为.本文研究了具有大纵横比和反向剪切的托卡马克磁平衡。以前对这种结构的研究表明,在没有湍流的情况下,电子种类在确定BAE的非线性饱和水平方面起着重要作用[A. Biancalani等人,(2020)]。在这里,我们将研究扩展到湍流等离子体。的EP被发现修改的热通量通过引入能量在大的空间尺度,主要是在占主导地位的BAE及其谐波的环形模式数。在这一制度下,BAE被发现进行强电子热通量。BAE引起的温度分布的全球松弛的反馈,以及湍流动力学,也进行了讨论。
2020-10-19 physics.plasm-ph
GX: a GPU-native gyrokinetic turbulence code for tokamak and stellarator design
GX是一个针对聚变反应堆设计优化的快速GPU原生回旋动理学湍流求解代码,采用全相空间伪谱离散化与径向局部通量管方法,可在数分钟内完成托卡马克和仿星器的湍流模拟。
2024-04-29 physics.plasm-ph
GKFieldFlow: A Spatio-Temporal Neural Surrogate for Nonlinear Gyrokinetic Turbulence
Independent Researcher, San Diego, CA, USA
GKFieldFlow是一种基于深度学习的时空神经代理模型,用于模拟非线性磁流体湍流,能够高精度预测输运和湍流动态。
2026-01-06 physics.plasm-ph
Gyrokinetic statistical absolute equilibrium and turbulence
基于伽辽金截断无粘系统的绝对平衡的范例,以帮助理解湍流[T.- D.李,“关于流体动力学和磁流体动力学场的一些统计性质,”Q。10,69(1952)]研究了回旋动力学等离子体湍流:保留了无碰撞回旋动力学方程的有限组Fourier模,计算了统计平衡,讨论了各种情况下等离子体湍流的可能含义。对于二维一维速度情况,在离散化速度$v$和$N$网格点的计算中(其中$N+1$量守恒,对应于能量不变量和$N$熵相关不变量),发现了负温度状态,对应于广义能量向最低模的凝聚,这表明了逆能量级联的一般特征.并与Charney-Hasegawa-Mima等在冷离子极限下的经典结果进行了比较。陀螺动力学的统计平衡在三维二维速度空间中有一个普遍的形式,只有一个守恒量。可能的物理相关的湍流,如ITG纬向流,并临界平衡假说进行了讨论。
2010-11-29 astro-ph.SR nlin.CD physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulation of ITG turbulence with toroidal geometry including the magnetic axis by using field-aligned coordinates
摘要将静电陀螺动力学非线性湍流全球程序NLT的场向坐标模拟域扩展到包括磁轴。用自然边界代替磁轴附近的人工边界。在Vlasov求解器中,通过考虑场向坐标系中固定网格点的空间关系,处理了磁轴处的奇异性。提出了一种新的泊松方程求解器,利用高斯定理导出了方程组的系数矩阵。对绝热电子作用下的ITG湍流进行了非线性弛豫实验。通过在模拟域中包括磁轴,陀螺中心守恒得到了很大的改善。在没有磁轴的情况下,得到的纬向场和扰动静电势的径向分布与前人的结果不同。
2018-09-12 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Fluid & Gyrokinetic turbulence in open field-line, helical plasmas
两种流体的Braginskii代码已经模拟了开放领域的线湍流超过十年,直到最近才有可能研究这些系统的连续体gyrokinetic代码。这项工作首次在开放场线中对流体和(长波)陀螺动力学模型进行了比较,使用GDB和Gkeyll代码模拟了德克萨斯大学Helimak设备中的交换湍流(T。N. Bernard,et.例如,等离子体物理26,042301(2019))。当GDB源和鞘层边界条件(BCs)仔细选择,特别是热通量BCs,可以大大改变温度时,在一些诊断通道中达到部分协议。的波动水平的径向轮廓是定性相似和定量可比的低场侧,虽然统计,如矩的概率密度函数和高频谱显示更大的差异。这种比较表明,在两个模拟,如鞘BC,以及GDB的改进,如粒子守恒和空间变化的热导率,以实现更好的流体陀螺协议,并增加模拟实验时的保真度未来的改进领域。
2020-08-07 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Collision-dependent power law scalings in 2D gyrokinetic turbulence
非线性回旋动力学提供了一个合适的框架来描述磁化实验室和天体物理等离子体中的短波长湍流。在静电限制,这个系统是已知的表现出自由能级联小尺度(垂直)真实和/或速度空间。自由能的耗散总是由于碰撞(无论碰撞性有多弱),但可能在很宽的尺度范围内分散。在这里,我们专注于自由衰减的2D静电湍流亚离子gyroradius尺度。将现有的弱碰撞边界湍流级联标度理论推广到中等碰撞边界。在这种情况下,非普遍的幂律缩放由于多尺度耗散的预测,并通过直接数值模拟证实了这一预测。
2014-07-24 physics.plasm-ph physics.space-ph
Gyrokinetic simulation of the effect of transient fueling on plasma turbulence in ADITYA-U tokamak
Indian Institute of Science Bangalore(印度科学研究所班加罗尔分院);Institute for Plasma Research, Bhat(巴特等离子体研究所);Homi Bhabha National Institute(霍米·巴巴国立研究所);Centre for Development of Advanced Computing(高级计算发展中心);Department of Physics and Astronomy, University of California Irvine(加州大学尔湾分校物理与天文学系)
通过气体注入抑制ADITYA-U托卡马克中被困电子模湍流,提高核心温度和能量约束时间,作为主动控制微湍流的方法。
2026-02-23 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulations of turbulence and zonal flows driven by steep profile gradients using a delta-f approach with an evolving background Maxwellian
长期的全球陀螺湍流模拟是特别具有挑战性的情况下,系统偏离其初始状态强烈,当波动水平高,例如在强梯度区域。对于Particle-in-Cell模拟,由于与delta-f方案的控制变量的大偏差,来自大标记权重的统计采样噪声累积使得这种模拟通常不切实际。一个自适应控制变量的形式的通量表面平均麦克斯韦与时间相关的温度分布的引入,试图减轻前一个问题。在简化的无碰撞物理条件下,这种自适应的delta-f方案被证明可以减少纬向流中的噪声积累和准稳态湍流状态下的模拟热通量。该方法还避免了在标准非自适应方案中出现的信噪比的崩溃,因此,即使在较低标记数的情况下也允许达到数值收敛的结果。
2022-08-31 physics.plasm-ph
Global gyrokinetic simulation of magnetic island induced ion temperature gradient turbulence in toroidal plasma
本研究通过回旋动理学模拟发现,磁岛可独立驱动ITG湍流,并诱发涡旋流;磁岛越宽,涡旋流越宽,输运越强,当磁岛宽度达21倍离子回旋半径时,湍流输运水平与压力梯度驱动相当。
2023-12-27 physics.plasm-ph
A statistical analysis approach of plasma dynamics in gyrokinetic simulations of stellarator turbulence
本文提出一种结合奇异谱分析和分层聚类的几何方法,用于检测仿星器W7-X回旋动理学湍流模拟中的雪崩现象,并通过计算Hurst指数等度量揭示时间序列的物理性质。
2022-12-29 cond-mat.stat-mech physics.plasm-ph
Global gyrokinetic analysis of Wendelstein 7-X discharge: unveiling the importance of trapped-electron-mode and electron-temperature-gradient turbulence
本文首次对类 W7-X 仿星器放电进行含动理学电子、平衡径向电场及电磁碰撞效应的非线性径向全局回旋动理学模拟,揭示芯部湍流电子热通量主要由 TEM 和 ETG 驱动,并强调有限电子温度梯度的关键作用。
2024-02-22 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulations of plasma turbulence in a Z-pinch using a moment based approach and advanced collision operators
本文采用基于Hermite-Laguerre分解的矩方法及先进碰撞算子,首次实现了Z箍缩等离子体湍流的非线性回旋动理学模拟,验证了与GENE代码的一致性,并揭示了碰撞对湍流输运及收敛性的关键影响。
2023-01-20 nlin.CD physics.comp-ph physics.plasm-ph
Freely decaying turbulence in two-dimensional electrostatic gyrokinetics
在磁化等离子体中,在相空间中以小于热拉莫尔半径(“亚拉莫尔尺度”)的尺度发生湍流级联[Phys. Rev. Lett. 103,015003(2009)]。当湍流被限制在垂直于背景磁场的两个空间维度时,由于存在两个无碰撞不变量,两个独立的级联可能同时发生。本文采用唯象理论和直接数值模拟的方法研究了二维静电陀螺动力学的自由衰减湍流。一个双级联(正向和反向级联)观察到在速度空间,以及在位置空间,我们诊断的非线性传递函数的碰撞不变量。我们发现,湍流往往是一个时间渐近状态,占主导地位的一个单一的规模增长的时间。这种渐近状态的理论是以衰减定律的形式导出的。我们研究的每一种情况都属于三个区域之一(弱碰撞,边缘和强碰撞),由一个无量纲数D*,一个类似于雷诺数的量决定。边缘状态由在时间上保持的临界数D* = D 0来标记。初始化高于该值的湍流随时间变得越来越惯性,朝着越来越大的D* 发展;初始化低于D 0的湍流变得越来越碰撞,逐渐衰减到越来越小的D*。
2012-12-12 physics.plasm-ph
Laguerre-Hermite Pseudo-Spectral Velocity Formulation of Gyrokinetics
近几十年来,托卡马克湍流的第一性原理模拟已被证明具有重要价值。我们开发了一个伪谱速度制定的湍流方程,平滑插值之间的高效,但分辨率较低的3D gyrofluid表示和传统的,但更昂贵的5D gyrokinetic表示。我们的提法是一个投影的非线性gyrokinetic方程的Laguerre-Hermite速度空间的基础上。我们将讨论与碰撞、闭包和熵有关的问题。虽然任何碰撞算子都可以用于制定,我们强调一个模型算子,具有特别稀疏的拉盖尔-厄米特表示,同时满足守恒定律和H定理。自由流,磁漂移,和非线性相位混合每个引起的封闭问题,我们讨论的利益和自由能守恒的不稳定性。我们表明,该模型是能够再现线性不稳定性和纬向流动力学的陀螺动力学结果。因此,最终的模型是适当的不稳定性,湍流和运输的研究在广泛的几何形状,包括托卡马克和仿星器。
2017-08-14 physics.plasm-ph
A tight-coupling scheme sharing minimum information across a spatial interface between gyrokinetic turbulence codes
介绍了一种新的方案,紧耦合动力学湍流代码跨越空间接口。该方案从竞争策略和向下选择的考虑演变而来。它被发现,使用一个复合动力学分布函数和领域的全球边界条件,如果耦合代码是一个,使耦合问题易于处理。相比之下,耦合的两个解决方案,从每个代码跨越重叠区域被发现是更困难的,由于两个求解器之间的湍流解的数值移相。新方案的另一个优点是数据移动可以限于3D流体量,而不是更高维的动力学信息,这对于领导级计算机上的大规模模拟在计算上更有效。
2018-07-20 physics.plasm-ph
Turbulence and Transport in Spectrally Accelerated full-f Gyrokinetic Simulations
本文利用光谱加速全f回旋动理学代码 GENE-X 研究边缘区与刮削层湍流输运,证明其能准确复现 TEM 驱动的关键特征并与网格结果一致,验证了该方法作为第一性原理预测工具的有效性。
2025-05-07 physics.plasm-ph
The anisotropic redistribution of free energy for gyrokinetic plasma turbulence in a Z-pinch
对于一个Z箍缩几何形状,我们报告的非线性重新分配的自由能跨尺度垂直于磁导场,为一个湍流等离子体的框架中描述的陀螺动力学。使用局部通量面近似进行分析,在由熵模式驱动的静电波动为主的制度,与离子和电子物种被处理动力学。为了探索由纬向流的出现所引起的自由能重新分布的各向异性性质,我们使用极坐标表示场垂直方向,并定义角密度的尺度通量。正值的经典定义的(角度积分)规模的通量,这表示一个直接的能量级联,被证明也是由负的角度部分,这一事实影响我们的理解的能量的后向散射和它进入湍流的亚网格尺度的建模的方式。定义了自由能在垂直方向上的通量,表明纬向流存在时能量的再分布是高度各向异性的。
2015-12-18 physics.plasm-ph
Global Gyrokinetic Simulations of Electromagnetic Turbulence in STEP
York Plasma Institute, University of York(约克等离子体研究所,约克大学)
本文通过GENE的长波δB∥求解器开展STEP的全局电磁gyrokinetic模拟,揭示有限β下电磁湍流非线性饱和特性,确立全局gyrokinetics捕捉类STEP等离子体动力学的能力。
2026-09-03 physics.plasm-ph
Pedestal and edge turbulence characteristics from an XGC1 gyrokinetic simulation
为了可靠地预测未来聚变装置的性能,需要了解边缘区域(基座+刮削层)的多尺度新古典和湍流物理。我们探讨在边缘区域的湍流特性,从多尺度新古典和湍流XGC 1 gyrokinetic模拟在DIII-D等托卡马克的几何形状,在这里不包括中性粒子和碰撞。对于具有陡峭基座的H模等离子体,电子密度起伏在分界线附近逐渐增大,并在SOL附近保持较高的水平,达到最大值$δn_e / \bar{n}_e \sim 0.18$ .在磁分界线表面周围会观察到斑点,并以通常小于1 km/s的速度径向向外传播。强极向运动的斑点也存在,接近20公里/秒,符合$E \times B$旋转。的电子密度波动显示在封闭的场线基座区域的负偏度,一致的存在下的“孔”,然后过渡到强的正偏度跨越分界线,并进入SOL。这些模拟表明,不仅新古典现象,而且湍流,包括斑点产生机制,可以保持重要的陡峭的H模式基座和SOL。将进行定性比较实验观察。
2017-03-08 physics.plasm-ph
Numerical dissipation induced by the low-pass filtering in nonlinear gyrokinetic simulations
本文分析了非线性回旋动理学湍流模拟中非周期方向低通滤波引起的数值耗散,解析证明长波耗散系数与波数(Np-3)次幂成正比,并发现九点滤波格式能完好保留Tokamak带状结构,适用于长时间模拟。
2024-04-28 physics.plasm-ph
von Neumann entropy of phase space structures in gyrokinetic plasma turbulence
RIKEN Center for Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS)(理化学研究所交叉理论与数学科学中心)
本文提出基于SVD的von Neumann熵方法,用于量化gyrokinetic湍流中相空间复杂性,并揭示了波数依赖性的相混合机制。
2026-01-31 physics.plasm-ph
Prediction of Performance and Turbulence in ITER Burning Plasmas via Nonlinear Gyrokinetic Profile Prediction
本研究利用CGYRO代码和代理模型加速的非线性回转动理学模拟,预测了ITER基线方案下的等离子体分布与能量约束,发现其满足聚变目标,并揭示了微弱的同位素效应及通过降低辅助功率实现高增益的潜力。
2024-04-25 physics.plasm-ph
Mitigation of Initial Transients in Total-f Gyrokinetic Turbulence Simulations Using Neoclassically Relaxed Distribution Function
Princeton Plasma Physics Laboratory(普林斯顿等离子体物理实验室);ITER Organization(国际热核聚变实验堆组织);Jubilee Development(Jubilee发展公司)
针对全 f 陀螺动力学模拟中初始瞬态问题,提出用新初始化方案,利用轴对称模拟的松弛粒子分布,经相空间平滑后用于全湍流模拟,应用于相关案例显著抑制瞬态、降噪声并减求解时间。
2026-10-01 physics.plasm-ph
Investigating shear flow through continuum gyrokinetic simulations of limiter biasing in the Texas Helimak
以前的限制器偏置实验上的得克萨斯Helimak,一个简单的磁化环面,已经不确定的影响流剪切湍流水平。为了研究这一点,第一个陀螺仪模拟的限制器偏置的Helimak使用等离子体物理代码Gkeyll已经进行,结果在这里。对于所考虑的情况下,湍流主要是由交换不稳定,这取决于梯度的平衡密度剖面。实验和模拟数据的分析表明,剪切速率大多小于局部线性增长率,并不是所有的剪切稳定的要求得到满足。相反,主要是垂直剪切流有一个重要的影响,散装运输和实验平衡密度分布,梯度的变化对应于湍流水平的变化。
2020-02-06 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulation of entropy cascade in two-dimensional electrostatic turbulence
磁化弱碰撞等离子体中的二维静电湍流在相空间中表现出熵的级联[Phys. Rev. Lett. 103,015003(2009)]。在尺度小于回转半径,该叶栅的特点是在热拉莫尔半径的尺度上测量的碰撞时间的涡流周转时间的无量纲比D。当D >> 1时,在位置和速度空间中都发现了亚拉莫尔尺度的宽谱涨落。分布函数将结构发展为v_{perp}的函数,v_{perp}是垂直于局部磁场的速度坐标。叶栅在位置空间和速度空间都表现出局部尺度的非线性相互作用,Kolmogorov的标度理论可以推广到相空间。
2010-08-16 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.flu-dyn
The non-linear evolution of the tearing mode in electromagnetic turbulence using gyrokinetic simulations
利用Vlasov陀螺动力学程序GKW研究了磁岛的非线性演化。考虑了电磁湍流与撕裂不稳定$Δ' > 0$电流分布产生的自洽生长磁岛的相互作用。湍流能够通过产生宽度近似为离子回旋半径的结构来播种磁岛并绕过线性生长阶段。岛的宽度和它的旋转频率的非线性演化,在此播种阶段后,被发现被修改,并依赖于等离子体β和平衡压力梯度的值。在低的β值的岛屿演变很大程度上独立的湍流,而在较高的值的相互作用有一个显着的影响岛屿的增长,导致岛屿的增长率呈指数增长的线性阶段,即使岛是大于线性理论的有效性。湍流迫使岛在离子反磁方向上旋转,而不是在没有湍流时旋转的电子反磁方向。此外,它被发现,模式旋转减慢,岛的大小的增长。
2015-07-10 physics.plasm-ph