Free energy cascade in gyrokinetic turbulence
在陀螺动力学理论中，二次非线性在动力学中起着重要的作用，它通过在各种活动尺度之间重新分配（以保守的方式）自由能。在本研究中，自由能转移的情况下，离子温度梯度驱动的湍流进行了分析。结果表明，它与流体湍流中的能量传递有许多共同的性质。特别是，人们发现了一个向前（从大到小的尺度），非常本地，和自相似的自由能在垂直于背景磁场的平面级联。这些发现揭示了等离子体湍流的一些基本性质，促进了回旋动力学大涡模拟技术的发展。
2010-08-24 physics.plasm-ph
Two-dimensional gyrokinetic turbulence
二维回旋动力学是研究动力学磁化等离子体湍流的一个简单范例。在本文中，我们提出了一个全面的理论框架，这种动荡。我们研究的逆和直接级联（“双级联”），由均匀和各向同性的随机强迫。陀螺动力学的关键特征长度，拉莫尔半径，将尺度分为两个物理上不同的范围。对于尺度大于Larmor半径，我们从陀螺动力学系统中推导出熟悉的Charney-Hasegawa-Mima（CHM）方程，并解释了它与陀螺动力学的关系。在小于拉莫尔半径的尺度上，通过非线性相混合过程，在相空间（位置空间中的二维加上速度空间中的一维）中发生双级联。我们发现，在这些次拉莫尔尺度，湍流是自相似的，并表现出幂律谱的位置和速度空间。我们提出了一个Hankel变换的形式主义的速度空间谱。我们推导出三阶结构函数的精确关系，类似于Kolmogorov的五分之四和Yaglom的三分之四定律，在长波长和短波长都有效。我们展示了如何一般的gyrokinetic不变量相关的特定的不变量，控制双级联的长波长和短波长的限制。我们描述了从流体到完全动力学范围的级联的全范围。
2010-07-10 physics.flu-dyn 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
Comprehensive Gyrokinetic Study of Eigenstate Transitions in Fast Ion-Driven Electrostatic Drift Instabilities
本研究通过回旋动理学理论推导和GKV模拟，揭示了通行快离子驱动的漂移不稳定性中本征态转变的机制，并发现净能量通量可向内，对聚变加热效率有重要影响。
2025-01-23 physics.plasm-ph
Local Gyrokinetic Study of Electrostatic Microinstabilities in Dipole Plasmas
本文发展了一种适用于任意垂直波长$k_\perpρ_i$的线性回旋动力学粒子格子方案，并考虑了沿场线的平行动力学，用于研究点和环偶极等离子体中的局域静电漂移模。我们发现在这个系统中最不稳定的模式可以是电子模式或离子模式。详细研究了这些模式的性质和关系作为$k_\perpρ_i$、密度梯度$κ_n$、温度梯度$κ_T$、电子与离子温度比$τ=T_e/T_i$和质量比$m_i/m_e$的函数。对于常规的弱梯度参数，模式在基态（具有本征态数$l=0$），特别是对于小的$k_\perpρ_i$，模式在$k_\parallel\sim0$。因此，反弹平均色散关系也推导出比较。对于强梯度和大$k_\perpρ_i$，最有趣的是，具有偶数（例如，$l=2,4$）或奇数（例如，$l=1$）的产次可能最不稳定，这是以前的研究所没有预料到的。当$τ>10$ .这项工作对于理解实验室和空间磁层中的湍流输运特别重要。
2017-12-19 physics.plasm-ph physics.space-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
Gyrokinetic Vlasov-Poisson model derived by hybrid-coordinate transform of the distribution function
本文指出在标准静电陀螺模型中得到的全轨道密度在$\varepsilon^{σ-1}$阶上并不准确，它是关于平衡分布$e^{-αμ}$与$μ\in (0, μ_{\max})$的关系，其中$\varepsilon$是归一化Larmor半径的阶，$\varepsilon^σ$是归一化静电势振幅的阶，$α$是$O(1)$的因子。这个误差使得全轨道密度的精确阶数与全轨道分布函数的近似阶数不一致。通过构造一个混合坐标系来求解全轨道分布，即用陀螺中心坐标系上的磁矩代替全轨道坐标系上的磁矩，得到由陀螺中心分布变换的全轨道分布，证明了全轨道密度可以近似为$\varepsilon^{σ-1}$阶。利用Selalib程序，对具有静电扰动的圆柱磁场位形中初始分布与$\exp(\frac{-μB}{T_i})$成正比的陀螺动力学模型与标准模型进行了数值比较.在这样的配置中，仿真结果在两个模型之间表现出相似的性能。
2020-05-31 physics.plasm-ph
Electrostatic microturbulence in W7-X: comparison of local gyrokinetic simulations with Doppler reflectometry measurements
本研究针对W7-X仿星器微湍流问题，利用stella代码开展非线性回旋动理学模拟，对比密度涨落幅度与多普勒反射测量结果并解释径向趋势，同时表征涨落与带状流频谱，为湍流研究提供理论支撑。
2023-12-15 physics.plasm-ph
Electromagnetic full-$f$ gyrokinetics in the tokamak edge with discontinuous Galerkin methods
对长波长极限下的全$f$电磁陀螺动力学系统提出了一种能量守恒的间断Galerkin格式。我们使用辛公式和直接求解$\partial A_\parallel/\partial t$，平行电场的电感分量，使用直接从陀螺运动方程推导出的广义欧姆定律。线性基准进行验证的实施，并表明该计划避免了安培取消的问题。我们进行了非线性电磁模拟的螺旋开放场线系统作为一个粗略的模型，托卡马克刮削层使用的参数从国家球形环实验（NSTX）。这是首次发表的非线性电磁陀螺动力学模拟开放场线。比较相应的静电模拟。
2020-03-19 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
Energy transfer and dual cascade in kinetic magnetized plasma turbulence
非线性相互作用如何在可用的自由度上重新分配波动能量的问题，在磁化弱碰撞等离子体中的湍流和输运研究中具有根本的重要性，范围从空间设置到聚变装置。在这封信中，我们提出了一个理论的双重级联发现在这样的等离子体，它预测了一系列的新的行为，区分这种级联的中性流体湍流。这些现象解释的非线性陀螺动力学的光谱传输的约束性质。伴随这一理论的是这些现象的第一次观察，通过直接数值模拟获得使用gyrokinetic代码{ \tt AstroGK}。所发现的基本机制提供了一个框架，了解湍流能量传递耦合尺度本地和非本地。
2011-04-15 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Gyrokinetic full-f particle-in-cell simulations on open field lines with PICLS
而在最近几年，陀螺动力学模拟已成为理论湍流和输运研究等离子体核心的主力，其应用的边缘和刮削层（SOL）区域提出了重大的挑战。特别是，陡峭的密度和温度梯度以及大的波动幅度要求“全f”处理。为了专门研究SOL区域中的问题，已经开发了回旋动力学粒子单元（PIC）代码PICLS。该代码是基于一个静电全f模型与线性化场方程，并使用动力学电子。在这里，充分研究的平行输运问题，在一个边缘本地化模式（ELM）的SOL应调查的一个空间维度。结果相比，以前的gyrokinetic连续和完全动力学PIC模拟，并显示出良好的协议。
2020-01-07 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Fast and spectrally accurate evaluation of gyroaverages in non-periodic gyrokinetic-Poisson simulations
我们提出了一种快速且光谱精确的数值方案，用于评估非周期陀螺动力学-泊松模拟中的陀螺平均静电势。我们的方法依赖于gyrokinetic泊松系统，其中的gyroaverage在泊松方程计算的companies支持的电荷密度，而不是非周期性的，非companies支持的潜力本身的重新制定。我们用两个傅立叶变换和一个汉克尔变换的组合来计算这个gyroaverage，它具有接近最优的运行时间复杂度$O(N_ρ(P+\hat{P})\log(P+\hat{P}))$，其中$P$是空间网格点的数量，$\hat{P}$是傅立叶空间中的网格点的数量，$N_ρ$是速度空间中的网格点的数量。我们提出的数值例子说明我们的代码的性能和演示几何收敛的错误。
2017-07-05 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Astrophysical gyrokinetics: kinetic and fluid turbulent cascades in magnetized weakly collisional plasmas
我们提出了一个天体物理等离子体（太阳风，星际介质，星系团，吸积盘）等离子体湍流的理论框架。关键假设是湍流相对于平均磁场是各向异性的，并且与离子回旋频率相比频率较低。在外尺度注入的能量必须转化为热量，这最终不能在没有碰撞的情况下完成。一个动力学级联的发展，使能量在空间和速度上都达到碰撞的尺度。它的性质取决于等离子体波动的物理学。在每一个物理上不同的尺度范围内，动力学问题被系统地简化为一组更容易处理的方程。在“惯性范围”以上的离子gyroscale，动力级联分裂成一个级联的阿尔文波动，这是由RMHD方程在碰撞和无碰撞的尺度，和被动级联的压缩波动，这服从一个线性动力学方程沿移动场线与阿尔文组件。在离子和电子gyroscale之间的“耗散范围”中，又有两个级联：由两个流体状电子RMHD方程和离子熵波动的被动相空间级联控制的动力学阿尔芬波（KAW）级联。后者级联带来的能量的惯性范围内的波动，阻尼碰撞波粒子相互作用在离子gyroscale碰撞尺度的相空间，并导致离子加热。KAW能量在电子陀螺仪上同样被阻尼，并转化为电子热。Kolmogorov式的标度关系推导出这些级联。详细讨论了天体物理和空间物理应用。
2009-05-09 astro-ph nlin.CD 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
Collisional gyrokinetic full-f particle-in-cell simulations on open field lines with PICLS
应用陀螺动力学模拟理论湍流和输运研究等离子体边缘和刮削层（SOL）提出了重大的挑战。为了特别考虑SOL中陡峭的密度和温度梯度，开发了“全f”代码PICLS。PICLS是一个回旋动力学的粒子在细胞（PIC）的代码，是基于一个静电模型与线性化的场方程，并使用动力学电子。在以前发表的结果中，我们将PICLS应用到研究充分的1D并行输运问题，在没有碰撞的情况下，在SOL中的边缘局域化模式（ELM）。作为对这种无碰撞情况的扩展，并为3D模拟做准备，在这项工作中将引入碰撞模型。实施Lenard-Bernstein碰撞算子及其Langevin离散化将显示。碰撞算子的守恒性质以及碰撞和非碰撞情况下的比较将被讨论。
2019-09-09 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Locality properties of the free energy fluxes in gyrokinetic turbulence
利用三维流管几何结构中单离子等离子体的数值模拟，研究了离子温度梯度不稳定性驱动的回旋运动（GK）湍流中非线性相互作用的性质.要占的水平之间存在的分离的尺度参与一个充满活力的相互作用，自由能尺度通量的本地化程度进行了分析，采用Kraichnan的红外（IR）和紫外局域性功能。由于GK湍流的非平凡耗散性质，局部指数的渐近水平，指示一个普遍的动力学制度GK的，没有恢复和加重的非本地行为的IR相互作用，而不是发现，尽管观察到的本地能量级联。
2012-03-02 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Simulation of FuZE axisymmetric stability using gyrokinetic and extended-MHD models
采用高阶有限体积程序COGENT对剪切流Z箍缩等离子体进行了轴对称（$m=0$）回旋动力学和扩展磁流体动力学模拟。本gyrokinetic模型解决了长波长限制的gyrokinetic方程的离子和电子物种耦合到静电陀螺泊松方程的静电势。电磁MHD模型考虑了旋粘压力张量、反磁电子和离子热通量以及广义欧姆定律的影响。这项工作的一个突出特点是等离子体密度和温度的径向分布取自引信实验，磁场分布作为MHD力平衡方程的解而获得。这种方法允许解决现实的等离子体参数，并提供对当前和计划的实验的见解。特别是，它表明，径向轮廓起着重要的作用，在稳定，作为嵌入式的引导中心（$E{\times} B$）漂移具有很强的径向剪切，这可以有助于Z-箍缩稳定，即使在没有流体流动剪切。引信等离子体参数的模拟结果表明，随着流动剪切的增加，线性增长率降低，但是，即使对于轴向流的大的径向变化（与阿尔文速度相当），也没有观察到线性状态的完全稳定。研究了引信等离子体的非线性稳定特性，发现在非线性区，轮廓展宽具有明显的稳定作用。
2020-11-05 physics.plasm-ph
Dual phase-space cascades in 3D hybrid-Vlasov-Maxwell turbulence
为了解释无碰撞磁化等离子体中通过湍流的能量耗散，提出了在离子回旋半径以下存在离子熵涨落的双重实空间和速度空间级联。这样的双级联，预测的gyrokinetic理论，以前已经观察到在gyrokinetic模拟的二维，静电湍流。我们第一次证明了在混合动力学电磁湍流的三维模拟中离子熵波动的双相空间级联的证据。在能谱中观察到的一些缩放与级联的广义理论是一致的，该理论解释了临界平衡的、间歇性的、子离子拉莫尔尺度波动的谱各向异性。所观察到的速度空间级联也是各向异性的磁场方向，与线性相位混合沿磁场线进行主要是在离子回旋半径以上的空间尺度和非线性相位混合跨磁场线进行在垂直尺度下的离子回旋半径。这种相空间各向异性可以在太阳风湍流的日光层和磁层数据中找到，并且对弱碰撞天体物理等离子体中湍流的耗散具有深远的影响。
2018-03-08 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The theory of gyrokinetic turbulence: A multiple-scales approach
陀螺动力学是一个丰富和有益的游乐场研究一些现代物理学的奥秘。在这篇论文中，我提出的工作，对聚变能的追求，旨在揭示一些内部运作的湍流磁化等离子体的动机。我开始的基本理论的陀螺动力学，和一个新的配方，其扩展到平均规模的运输方程-方程必须解决，以确定磁约束聚变装置的性能。第二个项目提出了回旋二次不稳定性理论作为一种机制，使饱和的基本不稳定性，驱动回旋湍流。重点放在这个分析理论预测的非线性状态，它可以应用于混合长度现象学的运输的基本属性的能力。最后一个项目是从惯性范围内的流体湍流的理解的方法的应用，以描述充分发展的二维回旋湍流的定态。这项工作探讨了相空间级联的相对较新的想法，即在位置空间和速度空间中非线性地产生精细尺度，并最终通过碰撞熵产生来平滑。这个过程构成了在湍流等离子体的真正稳定状态下发生的热力学平衡，包括在聚变装置中发现的那些。
2009-04-24 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Gyrokinetic turbulence: a nonlinear route to dissipation through phase space
本文描述了一个概念框架来理解动力学等离子体湍流作为一种广义形式的能量级联相空间。它强调的是，湍流能量转化为热力学热量是唯一可以实现的存在下，一些（但小）程度的碰撞。碰撞率的小补偿的速度空间中的小尺度结构的出现。对于gyrokinetic湍流，一个非线性的垂直相位混合机制被确定和描述为同时发生在空间尺度小于离子gyroscale和速度空间的熵波动的湍流级联。由此产生的波动谱的标度关系。提供了碰撞截止的估计。充分的建模和解决碰撞的重要性，在回旋动力学模拟的biopartically讨论，以及这些结果的相关性，以了解耗散范围内的湍流在太阳风和聚变等离子体中的静电微湍流。
2008-11-04 astro-ph nlin.CD 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
Nonlinear seed island generation by three-dimensional electromagnetic, gyrokinetic turbulence
湍流被证明是至关重要的新古典撕裂模式的发病和演变，影响其增长和旋转。本文首次在三维环形回旋框架内研究了这种相互作用。湍流波动不会在岛屿发展的早期破坏岛屿，岛屿在生长过程中保持着连贯的形式，事实上，岛屿是由非线性相互作用决定的，其旋转频率也是由非线性相互作用决定的。这个过程提供了一个初始结构，是离子回旋半径宽的顺序，允许岛迅速达到大尺寸。在分界面周围有很大程度的随机性，并且可以看到X点的完全击穿，这显著减小了有效岛宽度。岛中和周围的静电场的湍流修改极大地影响谐振层宽度的大小，并且即使岛明显宽于奇异层宽度，也可以看到岛以线性速率生长。
2014-03-06 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Turbulent field fluctuations in gyrokinetic and fluid plasmas
Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）
在磁约束聚变能反应堆的设计和发展中，一个关键的不确定性是预测边缘等离子体湍流。在克服这种不确定性的一个重要步骤是减少湍流传输模型的准确性验证。漂移简化的Braginskii双流体理论就是这样一组简化方程，几十年来一直在实验中模拟边界等离子体，但其预测能力存在重大问题。为此，使用一种新的物理学深度学习框架，我们首次展示了静电双流体理论和电磁陀螺动力学模型之间湍流场波动的直接定量比较，在低归一化压力下磁化螺旋等离子体中发现了良好的总体一致性。这个框架是很容易适应实验和天体物理环境，并提出了一种新的技术，减少全球等离子体湍流模型的数值验证和发现。
2021-10-07 cs.LG physics.comp-ph physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulations of fusion plasmas using a spectral velocity space representation
磁约束聚变反应堆由于湍流输运而遭受严重的热量和粒子损失，这激发了建造更大和更昂贵的反应堆。数值模拟对它们的设计和操作至关重要，但粒子碰撞太罕见，流体描述是有效的。相反，强磁化聚变等离子体描述的回旋动力学方程，一个非线性积分微分系统的粒子分布函数在一个五维的位置和速度空间，以及随之而来的电磁场。由于高维度，小反应堆部分的模拟需要高性能计算平台上的数十万CPU小时。我们开发了一个Hankel-Hermite频谱表示的速度空间，利用结构特征的gyrokinetic系统。在没有显式耗散的情况下，该表示精确地保持了离散自由能，而我们的Hermite超碰撞算子捕获了具有很少变量的Landau阻尼。电磁场的计算变得纯粹局部化，消除了处理器间的通信，大大加速了对线性不稳定性的搜索。我们实现这些想法在SpectroGK，一个高效的并行代码。湍流聚变等离子体可以通过线性相位混合将自由能耗散到速度空间中的精细尺度，如朗道阻尼，或者通过非线性级联耗散到物理空间中的精细尺度，如流体动力学湍流。利用SpectroGK研究了饱和静电漂移-动力学湍流，发现非线性级联抑制了能量占优尺度下的线性相混合，因此湍流是类流体的。我们利用这一观测结果推导出静电势和分布函数的Fourier-Hermite谱，并通过模拟证实了这些谱。
2016-03-15 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
Generalized mixed variable-pullback scheme with non-ideal Ohm's law for electromagnetic gyrokinetic simulations
本研究将非理想欧姆定律整合到混合变量-回拉格式中，提出纯辛（$v_\text{∥}$）电磁回旋动理学模拟格式，避免抵消问题，通过一维剪切阿尔芬波问题验证其与理想格式性能相当，并提出无欧姆定律的改进格式以减少标记数提升性能。
2025-09-23 physics.comp-ph 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
Gyrokinetic Theory of Linear Gravitational Flute Interchanges with Flow Shear Stabilization
University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；Institute for Research in Electronics & Applied Physics, University of Maryland, College Park（马里兰大学电子与应用物理研究所）；Gridfire Inc（Gridfire公司）
发展无碰撞静电回旋动理论，研究速度剪切如何通过增加垂直波数稳定平板几何中的线性引力槽交换不稳定性，并比较磁流体动力学模型和GX回旋动代码。
2026-09-03 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 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
Verification of the Fourier-enhanced 3D finite element Poisson solver of the gyrokinetic full-f code PICLS
介绍并推导了陀螺动力学全f PIC程序PICLS的傅立叶增强三维静电场求解器。求解器在域的一个周期方向上使用傅立叶表示，以使系统的求解易于并行化，从而节省运行时间。所提出的求解器，然后使用两种不同的方法制造的解决方案进行验证。用于这项工作的测试设置是一个捏几何形状与ITG一样的电势，包含一个非周期性和两个周期性的方向，其中之一将是离散傅立叶变换。这些测试的结果表明，在所有三个维度上，L2误差以接近理想预测的恒定速率减小，这取决于所选择的基函数的程度。
2023-03-02 physics.plasm-ph
Gyrokinetics investigations of an I-mode pedestal on Alcator C-Mod
由于I模基座不受MHD不稳定性的“限制”，因此I模对于ELMs是自然稳定的，并且宽度大于EPED的预测，因此I模是研究磁流体中漂移微不稳定性作用的极好实验室。本文基于Gyrokinetic模拟（使用GENE）对C-Mod中I模电子的涨落和热输运进行了模拟研究，发现C-Mod I模上观察到的弱相干模是静电离子温度梯度/杂质密度梯度（ITG/杂质）驱动模。ITG/杂质模式匹配频率和杂质限制时间上观察到的I-模式。非线性ETG模拟可以在实验误差范围内将实验热通量与轮廓调整很好地匹配。模拟，不同的杂质水平（Zeff）和温度和密度分布（实验误差范围内），用于探测波动和运输的敏感性。
2020-05-18 physics.plasm-ph
Gyrokinetic flux-driven simulations in mixed TEM/ITG regime using a delta-f PIC scheme with evolving background
本文提出将delta-f粒子云网格方法中的固定背景分布改为时间演化的麦克斯韦分布，以解决长时间通量驱动回旋动理学模拟中剖面显著演化导致的delta-f假设失效问题，在保持低采样噪声的同时以更少标记粒子获得数值收敛的准稳态结果。
2024-08-05 physics.plasm-ph
Gyrokinetic modelling of anisotropic energetic particle driven instabilities in tokamak plasmas
中性束产生的高能粒子在托卡马克装置中激发了高能粒子驱动的测地声学模（EGAM）。我们研究了高能粒子分布函数的各向异性对这种不稳定性的激发与ORB 5，一个回旋粒子在细胞的代码。数值结果显示与ORB 5的线性静电模拟。的增长率被发现是敏感地依赖于相空间形状的分布函数。的不稳定性的行为进行定性比较的色散关系的理论分析。利用加热求解器RABBIT得到了真实的中性束高能粒子各向异性分布，并作为输入分布函数引入到ORB 5中。结果表明，依赖于注入角的增长率。实验测量的定性比较，发现它们之间的一些分歧，在模拟的增长率远低于从实验。的差异的解释是先进的。
2022-01-11 physics.plasm-ph
Gyrokinetic understanding of the edge pedestal transport driven by resonant magnetic perturbations in a realistic divertor geometry
为了研究密度泵出和电子热约束问题，采用全f粒子回旋动力学程序XGC对共振磁扰动下的DIII-D H模边缘等离子体中的新经典和静电湍流输运进行了自洽模拟. RMP场是从扩展的磁流体动力学（MHD）代码M3 D-C1导入的，考虑到线性双流体等离子体响应。与新古典和湍流物理一起考虑，XGC模拟再现两个关键特征的实验观察到的边缘传输下RMP：增加径向粒子运输的基座区域，这是足以占实验泵出率，并抑制电子热通量的边缘基座的最陡峭的部分。在模拟中，在电子反磁方向上移动的模式的密度波动幅度增加，由于在基座肩部和向外的RMP的相互作用，而电子温度波动幅度减小。
2020-03-16 physics.plasm-ph
Nonlinear gyrokinetic PIC simulations in stellarators with the code EUTERPE
在这项工作中，第一个非线性粒子在细胞中进行模拟的仿星器与全球gyrokinetic代码EUTERPE使用现实的等离子体参数的报告。进行了几项研究，其目的是使可靠的非线性仿真仿星器与此代码。首先，EUTERPE对ORB 5在线性和非线性设置在托卡马克配置的基准。接下来，研究了噪声控制和稳定工具、Krook型碰撞算子、标记权重平滑和加热源的使用。详细研究了这些工具如何影响托卡马克和仿星器几何形状的不稳定性的线性增长率，以及它们对仿星器中线性带状流演化的影响。然后，研究了如何利用这些工具来提高仿星器配置中静电湍流的非线性模拟结果的质量。最后，这些工具被应用到一个W7-X磁配置使用实验等离子体参数。
2020-04-30 physics.plasm-ph
The Eulerian variational formulation of the gyrokinetic system in general spatial coordinates
本研究拓展前期工作，提出一般空间坐标下带静电湍流的回旋动力学系统欧拉变分公式，通过拉格朗日密度对度量张量变分直接得到含湍流效应的对称压强张量，还分析了碰撞与外源项对动量平衡的修正，适用于非轴对称环形系统的全局回旋动力学模拟。
2021-02-05 physics.plasm-ph
Enstrophy non-conservation and the forward cascade of energy in two-dimensional electrostatic magnetized plasma turbulence
一个流体系统推导出描述静电磁化等离子体湍流的尺度略大于拉莫尔半径的一个给定的物种。它与长谷川-三马方程有关，但不守恒涡度拟能，因此，在小尺度上表现出向前的能量级联。与长谷川-三马涡度拟能级联的-5定律相比，惯性范围能谱被认为比-11/3幂律更浅。在此通过流体系统的直接数值模拟证实的该性质可以帮助解释在流光主导的电子温度梯度驱动的湍流的陀螺动力学模拟中观察到的波动谱[Plunk等人，2019年]，也可能是一些离子温度梯度驱动的湍流情况下，带状流被抑制[Plunk等人，2017年]。
2020-08-07 physics.plasm-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
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
An analytical form of the dispersion function for local linear gyrokinetics in a curved magnetic field
本文推导弯曲非均匀磁场下线性回旋动力学速度空间积分的解析闭式解，用等离子体色散函数表达，并通过极限检验、数值对比及ITG不稳定性示例验证其有效性。
2023-01-16 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Fast electrostatic microinstability evaluation in arbitrary toroidal magnetic geometry using a variational approach
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；Dutch Institute for Fundamental Energy Research（荷兰基础能源研究所）；Ruhr-Universität Bochum（波鸿鲁尔大学）
本文提出了一种基于变分方法的半解析色散关系，用于在任意托卡马克磁几何中快速评估离子温度梯度和被俘电子模的静电微不稳定性。
2025-12-05 physics.plasm-ph
How accurate are flux-tube (local) gyrokinetic codes in modeling energetic particle effects on core turbulence?
本研究针对真实JET参数，通过GENE代码对比全局与局域通量管湍流模拟，评估通量管代码模拟快离子对芯部湍流影响的适用范围，发现仅静电和临界稳定情形下局域模拟有效，线性不稳定AITG/KBAE情形需全局模拟。
2023-05-05 physics.plasm-ph
Core transport barriers induced by fast ions in global gyrokinetic GENE simulations
最近，在适当优化的ASDEX升级实验上，在最先进的全球陀螺动力学模拟中观察到了一种称为F-ATB（快离子诱导异常输运势垒）的新型内部输运势垒（ITB）[A. Di Siena等人，Phys. Rev. Lett. { \bf 127} 025002（2021）]。与文献中先前报道的传输屏障不同，F-ATB的触发机制基本上是超热粒子（通过离子回旋共振加热（ICRH）产生）和离子尺度等离子体湍流之间的静电波-粒子共振相互作用。这种共振效应强烈地依赖于快离子温度和密度分布的特定形状。因此，为了进一步提高我们对这种传输势垒的理论理解，我们通过全球GENE模拟进行系统研究，探索F-ATB生成的参数空间和物理条件。特别强调的是通过扫描不同的高能粒子温度分布的传输势垒的宽度和其本地化。后者是不同的振幅，半宽度，和径向本地化的一个特设的高斯型高能粒子对数温度梯度分布。对于手头的参考参数，确定了快离子对数温度梯度的幅度中的阈值，以有效地触发输运势垒。
2021-10-18 physics.plasm-ph
Suppression of turbulence and subcritical fluctuations in differentially rotating gyrokinetic plasmas
已知微分旋转可以抑制聚变等离子体中的线性不稳定性。然而，即使在没有增长的本征模，亚临界波动，增长瞬态可能导致持续的湍流。在这里被认为是一个垂直ExB速度剪切的存在下，由平行的速度梯度（PVG）和离子温度梯度（ITG）驱动的静电波动的瞬态增长。最大限度地简化情况下的零磁剪切处理的框架内的局部剪切盒。没有线性增长的本征模，所以所有的激励都是瞬态的。初始扰动的最大放大因子和相应的波数作为q/ε（=安全因子/长宽比）、温度梯度和速度切变的函数计算。分析结果证实和补充线性陀螺动力学数值试验。对于足够低的q/ε值（在我们的模型中<7），完全抑制离子尺度湍流的区域是可能的。对于湍流不被抑制的情况下，一个基本的启发式理论的亚临界PVG湍流导致缩放的相关离子热通量与q，ε，速度剪切和温度梯度的建议，有人认为，运输是刚性比ITG制度。
2011-11-21 nlin.CD physics.plasm-ph
Reduction of electrostatic turbulence in a quasi-helically symmetric stellarator via critical gradient optimization
我们提出了一个仿星器配置优化的大阈值（“临界梯度”）的离子温度梯度（ITG）驱动模式，实现了最大的临界梯度，我们已经看到在任何仿星器的开始。在此阈值以上，陀螺动力学模拟表明，该配置具有低湍流水平的实验相关范围内的驱动强度。所应用的优化旨在最大限度地提高漂移曲率，从而增强局部剪切稳定的环形ITG模式，以及相关的湍流。这些优点与优秀的准对称性相结合，产生低的新古典输运和极小的α粒子损失。由此产生的配置分析表明，磁流体动力学（MHD）和ITG稳定性之间的权衡。
2022-11-10 physics.plasm-ph
Comprehensive full-f drift-kinetic and delta-f gyrokinetic simulations of a linear plasma device based on the gyro-moment approach
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）
本文基于gyro-moment方法，首次在线性等离子体装置中进行全f漂移-动能和δ-f gyrokinetic湍流模拟，揭示了离子分布函数的DK部分近似为双Maxwellian，并发现GK场在低碰撞性下不影响DK场，湍流主要由Kelvin-Helmholz驱动。
2026-03-18 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Nonlinear energy transfer and current sheet development in localized Alfven wavepacket collisions in the strong turbulence limit
在空间和天体物理等离子体中，湍流负责将能量从由剧烈事件或不稳定性驱动的大尺度转移到较小尺度，在较小尺度处湍流能量最终通过耗散机制转化为等离子体热。对向传播的阿尔芬波之间的非线性相互作用，表示阿尔芬波碰撞，驱动这个湍流能量级联，早期的工作与不可压缩磁流体动力学（MHD）方程。最近的工作采用的分析计算和非线性gyrokinetic模拟阿尔芬波碰撞在一个理想化的周期性初始状态已经证明了强阿尔芬波碰撞有效地调解能量转移到较小的垂直尺度和自洽地产生电流片的关键属性。对于两个最初分离的阿尔芬波包之间的碰撞更现实的情况下，我们使用非线性gyrokinetic模拟在这里显示，这些关键属性持续存在：强阿尔芬波包碰撞确实促进了能量的垂直级联，并产生电流片。此外，演变表明，非线性相互作用只发生在波包重叠，然后是一个干净的分离波包与直均匀磁场和非线性演化的停止之间的碰撞，即使在这里提出的gyrokinetic模拟解决色散和动力学效应超出了MHD理论的范围。
2017-05-23 physics.plasm-ph
Numerical and diagnostic extensions to the gyrokinetic $δf$ code stella
Institute of Physics, University of Greifswald（格赖夫斯瓦尔德大学物理研究所）；Max Planck Institute for Plasma Physics（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）；Rudolf Peierls Centre, University of Oxford（牛津大学鲁道夫·派尔斯中心）
本研究在stella代码中扩展自由能诊断，应用于W7-X配置，揭示湍流级联幂律行为、数值不稳定性及实空间结构，并系统比较时间积分方案，指出SSP22和SSP33分别适用于线性和非线性模拟，为方案选择提供指导。
2026-10-05 physics.plasm-ph
Quasilinear flux model consistent with gyrokinetic ordering
National Institute for Fusion Science（日本国立核聚变科学研究所）；Zhejiang University（浙江大学）
本文提出一种准线性通量模型，通过多尺度回旋动能学有序关系确定饱和幅度，无需非线性模拟校准。该模型在离子尺度上能复现非线性结果，但电子通量主要在电子尺度生成，表明当前线性框架无法捕捉电子输运向离子尺度的转移。
2026-04-27 physics.plasm-ph
Detecting Shearless Phase-Space Transport Barriers in Global Gyrokinetic Turbulence Simulations with Test Particle Map Models
The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；Zhejiang University（浙江大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；University of São Paulo（圣保罗大学）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）
研究通过测试粒子映射模型揭示无剪切环在等离子体湍流中的传输屏障作用及再连接机制。
2026-02-26 physics.plasm-ph
Sub-Second Collisionless Gyrokinetic Eigenvalue Solutions via Orbit-Invariant Decomposition
Beijing VeloAlpha Technology Co., Ltd.（北京维洛阿尔法科技有限公司）；School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学核科学与技术学院）；School of Physics, Peking University（北京大学物理学院）
该研究提出轨道不变量分解方法，扩展MGK代码实现亚秒级无碰撞陀螺kinetic本征值求解，速度较CGYRO提升三个数量级以上，可高效用于聚变装置参数扫描与电磁模拟扩展。
2026-09-09 physics.plasm-ph
GyroSwin: 5D Surrogates for Gyrokinetic Plasma Turbulence Simulations
ELLIS Unit, Institute for Machine Learning, JKU Linz（JKU林茨机器学习研究所ELLIS单元）；United Kingdom Atomic Energy Authority, Culham campus（英国原子能局库勒姆校区）；EMMI AI, Linz（林茨EMMI人工智能）
提出GyroSwin，首个可扩展的五维神经代理模型，通过扩展层次视觉Transformer至五维、引入交叉注意力和集成模块以及基于非线性物理的通道分离，精确模拟回旋动理学湍流热输运，计算成本降低三个数量级。
2026-09-07 cs.AI physics.plasm-ph stat.ML
