Gyrokinetic studies of the effect of beta on drift-wave stability in NCSX
利用GS 2程序研究了等离子体β对国家紧凑型仿星器实验（NCSX）中线性、无碰撞离子温度梯度（ITG）模和电子俘获模（TEM）的影响。等离子体β以两种方式影响稳定性：通过平衡和通过磁波动。第一个在这里进行了研究，通过比较ITG和TEM的稳定性在两个NCSX平衡不同的β值，揭示了高β平衡略高于低β平衡的绝热电子ITG模式的情况下更稳定。然而，高β的情况下有一个较低的动力学电子ITG模式的临界梯度。静电和电磁ITG和TEM模式生长速率对温度梯度和密度梯度的依赖性在定性上是相似的。第二种β效应通过电磁ITG生长速率对GS 2 β输入参数的依赖性来证明。文中还介绍了一个陀螺动力学代码GENE和GKV-X的线性基准测试程序。
2012-10-22 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
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
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
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
Simulation of ion temperature gradient driven modes with 6D kinetic Vlasov code
本文利用优化的6D动力学Vlasov半拉格朗日求解器模拟离子温度梯度模式，超越回旋动力学限制，首次展示完整垂直能量通量及非线性饱和阶段的高频波激发。
2024-02-09 physics.plasm-ph
A Learned Closure Method Applied to Phase Mixing in a Turbulent Gradient-Driven Gyrokinetic System in Simple Geometry
我们提出了一种新的方法，制定关闭，从动力学模拟数据学习。我们应用这种方法在一个简单的回旋湍流系统的相混合-温度梯度驱动的湍流在一个未剪切板。封闭，称为学习多模式（LMM）封闭，构造，首先，提取一个最佳的基础，从一个非线性动力学模拟，使用奇异值分解（SVD）。随后的非线性流体模拟投影到这个基础上，并使用结果来制定关闭。我们比较封闭与其他封闭计划在广泛的相关二维参数空间（碰撞和梯度驱动）。我们发现，湍流动力学系统产生的相混合速率远低于线性预期，LMM封闭是能够捕获。我们还比较了径向热通量。一个Hammett-Perkins封闭，推广到包括碰撞效应，在整个参数空间是相当成功的，产生~14%的均方根（RMS）误差。LMM闭包也非常有效：当在三（两）点（在35点参数网格中）训练时，LMM闭包产生9%（12%）RMS误差。LMM过程可以很容易地推广到其他闭包问题。
2021-10-06 physics.plasm-ph
Linear gyrokinetic simulation of kinetic infernal mode
本研究通过GTC代码开展线性回旋动理学模拟，发现磁剪切由强变弱时动理学气球模（KBM）会平滑过渡到动理学内模（KIM），二者或属同一物理模式，且KIM可通过调整磁剪切与压力梯度有效调控。
2024-05-17 physics.plasm-ph
Calculating the linear critical gradient for the ion-temperature-gradient mode in magnetically confined plasmas
提出了一种计算线性陀螺动力学中离子温度梯度模式（ITG）起始临界温度梯度的第一性原理方法。我们发现，在托卡马克研究中以前调用的连接长度的传统概念，应修改和广义相关长度来解释仿星器的发病。简单的数值实验和gyrokinetic理论表明，本地化的“尖峰”剪切，仿星器几何的一个标志，一般不足以约束模式的平行相关长度。还观察到ITG模式，其在具有由峰值漂移曲率设定的临界梯度的不良漂移曲率井内局部化。一个案例研究的近螺旋形仿星器的增加场周期表明，临界梯度确实可以通过操纵磁几何控制，但强调需要一个一般的框架来评估临界梯度。我们的结论是，平均曲率和全球剪切设置的相关长度的共振ITG模式附近的绝对临界梯度，其中的物理是通过直接解决方案的gyrokinetic方程。我们的方法，处理一般的几何形状，比传统的gyrokinetic求解器更有效，可以应用到未来的仿星器ITG湍流优化研究。
2021-04-27 physics.plasm-ph
Optimisation of Gyrokinetic Microstability Using Adjoint Methods
本文利用伴随方法高效计算回旋动理学微不稳定性增长率对参数的导数，并展示其在托卡马克等离子体ITG不稳定性优化中的显著加速效果。
2024-03-19 physics.plasm-ph
The gyrokinetic field invariant and electromagnetic temperature-gradient instabilities in `good-curvature' plasmas
University of Oxford（牛津大学）；Merton College, Oxford（牛津大学默顿学院）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；University of Otago（奥塔哥大学）
本研究通过回旋动理学场不变量解释了曲率驱动不稳定性的局域特性，证明良曲率区不稳定模式必为电磁性，提出新型磁漂移模式并探讨其在高β聚变等离子体中的意义。
2025-01-20 physics.plasm-ph
Equivalence of two different approaches to global $δf$ gyrokinetic simulations
导出了一组包含密度梯度、温度梯度和旋转梯度空间变化对湍流影响的磁通管回旋运动方程。这组新方程使用周期性边界条件。在限制$l_\bot/L \ll 1$，其中$l_\bot$是湍流结构的特征垂直长度和$L$是该设备的特征尺寸，这套新的通量管gyrokinetic方程被证明是相当于传统的全球$δf$ gyrokinetic方程的顺序更高的$l_\bot/L$比通常的通量管配方。
2015-06-02 physics.plasm-ph
Towards continuum gyrokinetic study of high-field mirrors
本研究针对高温超导磁镜装置，验证了开放磁力线回旋动理学模型能自洽产生Pastukhov静电势，并提出力软化方法解决高镜比计算中的小时间步长问题，实现19倍加速。
2023-05-10 physics.plasm-ph
Influence of the density gradient on turbulent heat transport at ion-scales: an inter-machine study with the gyrokinetic code stella
本研究利用stella代码对多种仿星器和托卡马克开展多装置模拟，发现密度梯度对不同装置离子热输运的影响存在差异，并揭示了各装置中主导的微观不稳定性类型，为聚变堆湍动热输运控制提供参考。
2024-04-15 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
Local Gyrokinetic Collisional Theory of the Ion-Temperature Gradient Mode
本文研究了离子温度梯度（ITG）模的线性性质，其中碰撞模型由线性化的回旋运动（GK）库仑碰撞算符（Frei et al. 2021）在局部极限下模拟。这项研究是基于厄米-拉盖尔多项式扩展的扰动离子分布函数的线性化GK玻尔兹曼方程，产生一个层次的耦合方程的膨胀系数，称为陀螺力矩。我们探讨分析的碰撞和高碰撞的限制的陀螺力矩的层次。参数扫描显示的ITG增长率的依赖性的碰撞性的报告，在小尺度上的碰撞性的增加，表现出较强的阻尼。这些属性进行了比较与预测的基础上的Sugama，动量守恒的俯仰角散射，赫什曼-西格玛-克拉克，和Daughthorn碰撞运营商。有限Larmor半径（FLR）项在碰撞算子的重要性是指出了一个短波长（SW）ITG分支时，碰撞FLR项被忽略的外观，这个分支被完全抑制碰撞FLR效应。我们表明，能量扩散是重要的，在高碰撞性和小尺度的长度，在这项工作中考虑的碰撞运营商，GK Sugama碰撞运营商产量，在一般情况下，最小的偏差ITG增长率相比，GK库仑碰撞运营商。陀螺力矩法的收敛性研究报告。
2022-01-11 physics.plasm-ph
Gyrokinetic global simulation of Alfvenic ion temperature gradient mode in reversed magnetic shear
Max Planck Institute for Plasma Physics（马普等离子体物理研究所）；Institute for Fusion Theory and Simulation, Zhejiang University（浙江大学聚变理论与模拟研究所）
使用陀动理学粒子-网格模拟系统研究了反向磁剪切磁约束聚变等离子体中由温度梯度驱动的电磁不稳定性，识别出一种弱剪切阿尔芬离子温度梯度模（WSAITG），并发现其由通行粒子共振驱动。
2026-05-29 physics.plasm-ph
Comparisons and Applications of Four Independent Numerical Approaches for Linear Gyrokinetic Drift Modes
为了揭示线性动力学漂移模的全貌，分别采用基于积分方程、欧拉初值模拟、欧拉矩阵特征值解和拉格朗日粒子模拟的四种独立的数值方法，求解了Z箍缩平板简化和托卡马克气球坐标下的线性回旋静电漂移模方程.结果表明，这四种方法都能得到相同的解，其差别小于1%，而差别主要来自于数值收敛性，这是四种独立的陀螺运动线性漂移模式数值方法的第一个详细的基准。利用这些方法，我们发现在Z箍缩中，熵模和交换模处于同一分支上，并且熵模可以同时具有电子和离子分支。并且，在强梯度下，离子温度梯度模（ITG）的多个本征态可能是不稳定的，并且最不稳定的本征态可能是非基态本征态。还观察到ITG在强梯度下从离子向电子反磁方向的传播，这意味着传播方向不是边缘等离子体湍流模式实验诊断的决定性标准。
2017-06-13 physics.plasm-ph
Validation of gyrokinetic modelling of light impurity transport including rotation in ASDEX Upgrade
升级的光谱硬件和改进的杂质浓度计算允许精确测定ASDEX升级托卡马克中的硼密度。硼测量的数据库进行比较，包括科里奥利和离心旋转效应的范围内的H-模式等离子体制度的准线性和非线性陀螺动力学模拟。测得的硼分布的峰值显示出很强的反相关性与等离子体旋转梯度，通过理论解释和再现的关系。它表明，由旋转梯度驱动的rotodiffusive杂质通量所需的建模，以重现在较高的旋转梯度的空心硼型材。非线性模拟验证了准线性的方法，并与垂直流剪切，表明每个对称性破缺机制，导致动量传输也耦合到rotodiffusion。在较低的旋转梯度，平行的压缩对流是需要匹配的最峰值硼配置文件。这两个数据集可能的错误的敏感性进行了研究，定量协议内发现估计的不确定性。所使用的方法可以被认为是一个模板，用于减轻模拟和实验之间的定量比较的不确定性。
2013-04-19 physics.plasm-ph
Second stability region for gyrokinetics and the L-H transition
École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）；Max-Planck-Institut für Plasmaphysik（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）
本文研究了双稳定性区域在线性磁流体动力学平衡模式中的存在，表明在等离子体进入H模式时，bootstrap电流和Shafranov位移改变磁场，导致等离子体进入该区域。通过模拟更现实的磁场几何结构，展示了从L模式到H模式的碰撞less电离层湍流输运显著降低，这是由于bootstrap电流降低全局磁旋度和压力梯度改变局部磁旋度所致。
2026-11-10 physics.plasm-ph
Gyrokinetic GENE simulations of DIII-D near-edge L-mode plasmas
我们目前的陀螺动力学模拟的GENE代码解决的近边缘区域的L-模式等离子体在DIII-D托卡马克。在径向位置$ρ=0.80$，模拟与离子温度梯度增加$40\%$以上的标称值给出电子和离子的热通量，同时与实验一致。该梯度增加与$1.6 σ$水平下电荷交换色谱法（CER）测量的合并统计和系统不确定度$σ$一致。首次在近边缘采用真实的质量比和几何形状进行了多尺度模拟。这些多尺度模拟表明，通量匹配离子尺度模拟的高度不稳定的离子温度梯度（ITG）模式抑制电子尺度传输，使得离子尺度模拟在该位置是足够的。在径向位置$ρ=0.90$，非线性模拟显示了ITG和俘获电子模~（TEM）的混合态，这是线性模拟所没有预料到的。的非线性模拟再现总的实验热通量与列入$\mathbf{E} \times \mathbf{B}$剪切效应和增加的电子温度梯度的$\sim 23\%$。这种梯度的增加是兼容的组合统计和系统的不确定性的汤姆逊散射数据在$1.3 σ$水平。这些结果是一致的，与以前的研究结果，gyrokinetic模拟能够重现实验热通量通过改变输入参数接近他们的实验不确定性，推动验证前沿更接近边缘区域。
2019-10-28 physics.plasm-ph
Gyrokinetic Studies of Microinstabilities in the RFP
一个解析平衡，环面贝塞尔函数模型，被用来与gyrokinetic代码GYRO一起研究在反向场箍缩（RFP）等离子体中的微不稳定性的性质。研究了归一化电子等离子体压力β对微不稳定性特性的影响。当β值约为4.5%时，离子温度梯度（ITG）驱动模和微撕裂模之间的转变成为主要的不稳定性。ITG模的抑制发生在托卡马克中，通过耦合到剪切阿尔芬波，由于较短的并联长度，稳定性的临界β高于其托卡马克等效装置。有一个陡峭的依赖性的微撕裂增长率的温度梯度表明高轮廓刚度。有证据表明存在一种无碰撞的微撕裂模式。研究了该模式的性质，发现曲率漂移在该模式的不稳定性中起着重要作用。
2013-01-19 physics.plasm-ph
Quasilinear particle transport from gyrokinetic instabilities in general magnetic geometry
在静电和无碰撞近似下，保持磁场的几何形状为任意的，计算了由回旋运动不稳定性引起的准线性粒子通量。特别地，电子和重杂质离子的通量研究的限制，前者移动得很快，后者缓慢，沿场相比，模式频率。得出的结论是如何这些物种的粒子通量取决于磁场的几何形状，模式结构和频率的不稳定性。在某些条件下，例如处处有利或不利的磁曲率和适度的温度梯度，有可能对磁通量作出一般性的陈述，而与不稳定性的细节无关。对于大多数粒子来说，在具有良好的反弹平均曲率的准等动力仿星器中，如果温度梯度不是太大，粒子通量总是向外的，这表明可能很难用从壁面喷出的气体为这种设备提供燃料。在具有主要不利的磁曲率的设备中，粒子通量可以向内，导致等离子体中心的自发密度峰值。在高电荷杂质的限制下，普通扩散（与密度梯度成比例）在其他传输通道上占主导地位，扩散系数变得与质量和电荷无关。由离子温度梯度不稳定性引起的磁场波动所造成的运输水平的估计也给出，并示出是小的静电分量相比。
2018-05-25 physics.plasm-ph
A reanalysis of a strong-flow gyrokinetic formalism
我们重新分析了任意波长的陀螺动力学形式[A. M. Dimits，Phys. Plasmas $\bf17$，055901（2010）]，其仅将涡度命令为小的并且允许在中波长和长波长上的强的时变流。我们得到一个简单的陀螺中心拉格朗日到二阶。此外，通过系统拉格朗日变分或显式密度计算导出的回旋动力学泊松方程与弱流回旋动力学形式一致[T. S. Hahm，Phys. Fluids $\bf31$，2670（1988）]在弱流动极限中的所有波长下。重新分析的形式主义已被数值实现为一个粒子在细胞的代码。一个迭代方案，它允许数值求解这个系统的方程，给出了隐式依赖的Euler-Lagrange方程的时间导数的潜力。
2015-01-14 physics.plasm-ph
Excitation of Zonal Flow by Intermediate-Scale Toroidal Electron Temperature Gradient Turbulence
研究表明，托卡马克等离子体中的中等尺度环形电子温度梯度（ETG）湍流可以优先激发纬向流。以前的理论研究得出了相反的结论，假设ETG模式的流体近似。在这里，我们进行了陀螺动力学分析，最终产生一个非线性薛定谔方程的ETG动力学与Navier-Stokes型非线性。对于典型的托卡马克参数，发现带状流的产生对中等尺度ETG湍流起着重要的作用。这一发现为最近的多尺度陀螺动力学模拟提供了解释。
2020-11-16 physics.plasm-ph
Ion-temperature-gradient stability near the magnetic axis of quasisymmetric stellarators
对准对称仿星器中离子温度梯度模的稳定性进行了研究。这是使用一组分析估计与线性gyrokinetic模拟。峰值增长率，其相应的实际频率和波矢量的识别。一阶近轴膨胀模型和十一个现实的设计使用数值优化方法之间的比较。据发现，虽然近轴膨胀是能够复制的增长率，真正的频率和垂直波矢量在内核（无论是使用简化的色散关系和第一原理gyrokinetic模拟），它会导致高估的增长率在较大的半径。ITG色散关系的非共振极限的近似解析解表明，增长率可以系统地更高的准轴对称（QA）配置相比，准螺旋（QH）对称的。然而，除了非常接近的轴，线性陀螺动力学模拟没有显示QA和QH配置之间的系统差异。
2021-02-24 physics.plasm-ph
Modification of ion-temperature-gradient turbulence by impurities in stellarator plasmas
CIEMAT（西班牙能源、交通和移动部下属中央研究技术中心）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）
该研究解析推导了仿星器等离子体中杂质对离子温度梯度增长率的修正表达式，经线性模拟验证其标度与作用条件预测准确，且该表达式与非线性模拟的湍流热通量修正结果显著相关。
2025-10-22 physics.plasm-ph
Global gyrokinetic simulations of intrinsic rotation in ASDEX Upgrade Ohmic L-mode plasmas
ASDEX升级（AUG）等离子体的非线性，径向全球，湍流模拟和非线性产生的本征流显示协议的欧姆L模式等离子体的核心在标称参数测量的本征流梯度。利用动力学电子模型的模拟显示中空的本征流剖面中所看到的在类似的等离子体参数进行的实验的主要数量。此外，与之前的通量管分析相比，观察到明显更大的流量梯度（Hornsby等人{ \it Nucl. Fusion}（2017））。绝热电子模型模拟可以示出在相对于动力学电子模拟的梯度中具有相反符号的流动轮廓，这意味着由于动力学电子而导致的残余应力的符号的反转。本征流的形状在很大程度上取决于密度梯度分布。计算了残余应力对密度分布曲率变化的敏感性，发现其明显强于对新古典流的敏感性（Hornsby等人{ \it Nucl. Fusion}（2017））。这种变化本身就足以解释在某些AUG实验中看到的本征流梯度的大变化。对湍流对称性破缺特性的分析表明，剖面剪切是产生有限平行波数的主要机制，湍流梯度效应对平行波矢量的贡献较小。
2018-01-31 physics.plasm-ph
Global gyrokinetic simulations of the impact of magnetic island on ion temperature gradient driven turbulence
本文利用全局回旋动理学模拟研究磁岛宽度对磁岛与离子温度梯度湍流多尺度相互作用的影响，揭示涡旋流、带状流及湍流输运随磁岛宽度的变化规律。
2023-06-09 physics.plasm-ph
The linear tearing instability in three dimensional, toroidal gyrokinetic simulations
使用全球陀螺动力学湍流代码GKW对三维环形几何中的经典撕裂模式进行了线性陀螺动力学模拟。结果与圆柱形理想磁流体动力学和解析理论计算结果进行了比较。通过改变电流分布、碰撞度和压力梯度，研究了该模式的稳定性、增长率和频率。无碰撞和半碰撞撕裂模式被发现与两者之间的平滑过渡。一个剩余的，有限的，旋转频率的模式，即使在缺乏压力梯度的观察，这是由于环形有限Larmor半径的影响。当在低碰撞性下存在压力梯度时，模式以预期的电子抗磁频率旋转。然而，岛旋转反转方向在高碰撞。的增长率被发现遵循$η^{1/7}$标度与碰撞电阻率在半碰撞制度，紧随Fitzpatrick发现的半碰撞标度。该模式的稳定性密切遵循的稳定性，使用电阻MHD理论，然而，由于环形耦合和压力效应的修改被视为。
2014-08-01 physics.plasm-ph
A gyrokinetic model for the plasma periphery of tokamak devices
本文提出了一个回旋动力学模型，它能恰当地描述强流、大小振幅的电磁涨落以及大的偏离热平衡的情况，电磁涨落的尺度范围从电子拉莫尔半径到平衡垂直压力梯度尺度。的gyrokinetic模型的制定是基于单带电粒子动力学的二阶描述，来自李微扰理论，其中快速粒子gyromotion是从慢漂移解耦，假设离子的声音拉莫尔半径的垂直平衡压力尺度长度的比率是小的。的等离子体的集体行为是由一个gyrokinetic玻尔兹曼方程，它描述了gyroaveraged分布函数的演变，并包括一个非线性gyrokinetic Doughnut碰撞算子。陀螺动力学模型，然后发展成一组耦合的流体方程称为陀螺动力矩层次。为了获得这一层次结构，陀螺平均分布函数扩展到速度空间的Hermite-Laguerre多项式的基础上，并将gyrokinetic方程投影到相同的基础上，得到的空间和时间演化的Hermite-Laguerre展开系数。Hermite-Laguerre投影在任意垂直波数值处精确地执行。最后，自洽演化的电磁场描述的一组gyrokinetic麦克斯韦方程组来自一个变分原理，明确评估的gyroaveraged分布函数的速度积分。
2020-04-22 physics.plasm-ph
System size scaling of triangularity effects on global temperature gradient-driven gyrokinetic simulations
本研究通过ORB5代码的全局 gyrokinetic 模拟，探究负三角性（NT）相对正三角性（PT）的L模约束优势的机制与尺寸标度性，发现NT的湍流输运降低效应不依赖装置尺寸与涨落尺度，为其在未来聚变装置的应用提供依据。
2024-02-25 physics.plasm-ph
Gyrokinetic Large Eddy Simulations
采用大涡模拟（LES）方法研究了全三维回旋运动系统中等离子体微湍流。用{ \sc GENE}程序研究了离子温度梯度驱动的湍流，得到了标准分辨率和降低分辨率的亚网格尺度湍流模型。一个简单的耗散模型表示的亚网格尺度上解决的尺度的效果，提出和测试。一旦校准，该模型似乎能够再现的离子温度梯度的各种值的自由能谱的大部分功能。
2011-04-13 physics.comp-ph physics.plasm-ph
The gyrokinetic dispersion relation of microtearing modes in collisionless toroidal plasmas
本文通过求解线性化回转动力学方程、准中性条件和安培定律，推导出无碰撞低β环向等离子体中微撕裂模的色散关系，揭示其由电子温度梯度经磁漂移驱动，为聚变装置抑制该不稳定性提供快速评估工具。
2024-02-26 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
Moment-Based Approach to the Flux-Tube linear Gyrokinetic Model
本工作报告的发展和数值实现的线性电磁gyrokinetic（GK）模型在托卡马克磁通管几何形状的基础上扩展的扰动分布函数的速度空间厄米-拉盖尔多项式的基础上使用的矩方法。一个层次的方程的展开系数，称为陀螺力矩（GM），推导。我们验证的GM层次结构的数值实现在无碰撞的限制进行比较与连续GK代码基因，恢复离子温度梯度的线性特性，被困电子，动力学气球，和微撕裂模式，以及无碰撞阻尼的纬向流。目前的调查揭示了GM的方法来描述精细的速度空间尺度结构附近出现的捕获和通过边界和动力学效应与平行和垂直粒子漂移的能力。此外，碰撞的影响进行了研究，使用先进的碰撞算子，包括GK库仑碰撞算子。主要的研究结果是，所需的GM的数量收敛减少等离子体碰撞和压力梯度驱动的模式，如在H-模式基座区域，驱动的不稳定性相比，被困粒子和磁梯度漂移经常发现的核心。近似经常用于模拟碰撞（相对于GK库仑算子）的准确性进行了研究，碰撞算子模型之间的差异，增加碰撞性和电子温度梯度的情况下，TEM。目前的线性分析表明，GM方法有效地描述了等离子体动力学的托卡马克边界的典型参数，范围从低碰撞香蕉H-模式的高碰撞Pfirsch-Schlüter条件。
2022-10-11 physics.plasm-ph
Direct Gyrokinetic Comparison of Pedestal Transport in JET with Carbon and ITER-Like Walls
本文比较了两个有代表性的JET流场的回旋动力学不稳定性和输运，一个流场（脉冲78697）来自具有碳壁的JET构型（C），另一个流场（脉冲92432）来自安装了JET的ITER类壁（ILW）之后。选择放电用于比较在高电流（3 MA，也对应于低$ρ_*$）下具有良好约束的JET-ILW和JET-C放电，并保留JET-C和JET-ILW的区别特征，特别是JET-ILW的降低的基座顶部温度。曲线和加热功率的比较揭示了放电之间的明显质的差异：JET-ILW脉冲（92432）需要两倍的加热功率，在气体速率为$1.9 \times 10^{22}e/s$，以维持大约一半的JET-C脉冲（78697）的温度梯度，在零气体速率下操作。这表明热传输是限制JET-ILW基座的动力学的核心组成部分，并加强了以下新兴的JET-ILW基座传输范例，该范例被提出用于进一步的理论和实验研究。ILW条件以减小归一化基座密度梯度$a/L_n$的方式修改密度基座，通常经由密度基座的向外移位。这是由于直接金属壁效应和需要增加燃料以减轻钨污染的一些组合。对密度分布的修改增加了$η= L_n/L_T$，从而产生更鲁棒的离子温度梯度（ITG）和电子温度梯度驱动的不稳定性。JET-ILW（92432）的基座梯度降低也导致$E \times B$剪切速率大幅降低，进一步增强了离子尺度湍流。总的来说，这些效应限制了基座温度，并且需要…
2019-03-06 physics.plasm-ph
Electrostatic gyrokinetic simulations in Wendelstein 7-X geometry: benchmark between the codes stella and GENE
第一个实验活动已经证明，由于新古典输运方面的磁结构的优化，湍流的贡献是必不可少的理解和预测的总粒子和能量传输在Wendelstein 7-X（W7-X）。这促使人们在陀螺动力学建模方面做了大量工作，以解释现有的实验结果，并为下一次活动做准备。与此同时，新的仿星器陀螺动力学代码已经或正在开发中。因此，希望有一个足够完整的，文件和验证的W7-X几何的陀螺动力学模拟，新的代码或现有代码的升级，可以测试和基准。本文试图提供这样一组模拟的形式，最近开发的代码斯特拉和成熟的代码基因之间的一个全面的基准。该基准测试包括W7-X磁几何中的静电回旋动力学模拟，包括不同的通量管、线性离子温度梯度（ITG）和捕获电子模式（TEM）稳定性分析、线性带状流响应的计算以及ITG驱动的热通量的计算。
2021-07-13 physics.plasm-ph
Non-local gyrokinetic model of linear ion-temperature-gradient modes
本文提出了保留非绝热电子的非局域线性离子温度梯度（ITG）漂移模理论，推广了[S。Moradi等人{ \em Phys. Plasmas} { \bf 18}，062106（2011）]。色散关系的推导来量化的分数速度运营商在福克-普朗克方程修改的温度梯度和非绝热电子上的实际频率和增长率的影响。解决色散关系，它是在这里示出的等离子体变得更加湍流，它偏离麦克斯韦分布，并成为Lévy分布。由此产生的等离子体的Lévy分布可以显著改变输运。分数阶导数对实频率的相对影响大于对ITG模增长率的相对影响。
2012-01-12 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Guiding Center and Gyrokinetic Theory for Large Electric Field Gradients and Strong Shear Flows
将磁化粒子运动的导引中心和回旋运动理论推广到垂直于磁场的大电场梯度区。电场中的梯度直接改变振荡频率，并导致拉莫尔轨道从圆形变形为椭圆形轨迹。为了保持良好的绝热不变量，只能在最低阶对单个坐标有很强的依赖性，使得共振不会产生破坏不变量的混沌运动。当磁通量表面上的梯度占主导地位时，引导中心漂移速度响应于外力而变得各向异性，并且必须包括附加曲率漂移。电极化的强度密度仍然是旋向性的，但极化和磁化强度都被回转频率的变化所改变。该理论可以应用于剪切流，甚至比在高性能托卡马克（H模式）基座的边缘传输势垒中观察到的剪切流更强，即使环向场与极向场一样小甚至更小。然而，该理论保留了类似于标准情况的数学形式，并且可以在现有的仿真工具中轻松实现。
2021-03-20 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Linear and Nonlinear Dynamics of Self-Consistent Collisionless Tearing Modes in Toroidal Gyrokinetic Simulations
本文利用 ORB5 回旋动理学模拟研究无碰撞托卡马克中电流梯度驱动的撕裂模，揭示磁岛饱和、开尔文-亥姆霍兹不稳定性驱动的衰减、抗磁旋转及高 beta 下向类动理学气球模转变的非线性动力学机制。
2024-10-15 physics.plasm-ph
Reduction of transport due to magnetic shear in gyrokinetic simulations of the scrape-off layer
通过对一个螺旋形刮除层模型的电磁回旋动力学模拟，研究了变化的磁剪切对刮除层湍流和廓线的影响。我们开发了一个模型的螺旋几何磁剪切和相应的磁场对齐坐标系，这是用于模拟与Gkeyll代码。我们发现，垂直运输减少的情况下，更强的剪切，导致更高的峰值粒子和热通量的终板。在强剪切情况下，电磁效应略微增加输运。
2021-12-28 physics.plasm-ph
Gyrokinetic stability theory of electron-positron plasmas
磁约束电子-正电子等离子体的线性回旋动力学稳定性的参数制度，最有可能是相关的第一个实验室实验，涉及这样的等离子体，密度是足够小，碰撞可以忽略不计和德拜长度大大超过回旋半径的研究。虽然等离子体β很小，电磁效应被保留，但磁压缩性可以忽略不计。因此，先前出版物（Helander，2014）的工作扩展到包括电磁不稳定性，这在闭合场线配置中非常重要，其中这种不稳定性可以在任意低压下发生。研究发现，如果磁场是均匀的，则完全不存在回旋动力学不稳定性：任何不稳定性都必须涉及磁曲率或磁剪切。此外，在偶极磁场中，波长超过德拜半径的交换模的稳定性阈值与理想磁流体力学中的一致。在这个阈值以上，如果温度梯度足够大，准线性粒子通量被向内引导，导致密度分布的自发峰化。
2016-06-15 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
Eliminating turbulent self-interaction through the parallel boundary condition in local gyrokinetic simulations
在这项工作中，我们强调了一个问题，可能会降低许多本地非线性gyrokinetic模拟的准确性-湍流自相互作用通过平行边界条件。给定足够长的平行相关长度，单个湍流涡旋可以跨越整个区域并“咬自己的尾巴”，从而改变它们的统计特性。只有当模拟域对应于全通量表面时，这种自相互作用才能准确地建模，否则它是人为的强。对于旋风基本情况参数和典型的域大小，我们发现这种机制修改了大约40%的热通量，它可能更重要。当使用动力学电子、低磁剪切和强湍流驱动（即陡峭的背景梯度）时，效果最大。结果发现，并行自相互作用可以通过增加并行长度和/或模拟域的副法线宽度来消除，直到实现收敛。
2020-03-13 physics.plasm-ph
First global gyrokinetic profile predictions of ITER burning plasma
Max Planck Institute for Plasma Physics（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）；CNRS AixMarseille Univ PIIM UMR7345（法国国家科学研究中心艾克斯-马赛大学PIIM联合研究实验室）
首次用GENE-Tango对15 MA ITER基准情景进行全局回旋动理学模拟，预测聚变增益Q=12.2，发现电磁模式主导芯部输运，安全因子分布对约束至关重要，带状流最终淬灭电子温度梯度湍流。
2025-11-05 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
Linear Gyrokinetic Simulations of Micro-tearing Mode: Local versus Global
Southwestern Institute of Physics（西南物理研究院）
该研究用GENE代码系统比较微撕裂模的局部与全局线性回旋动理学模拟，涵盖多样等离子体参数。发现全局模拟有独特模式，电流层宽度是决定全局效应关键因素，核心区局部与全局结果一致，台基区有偏差，解释了两者模拟差异。
2026-07-20 physics.plasm-ph
An analytical solution of the gyrokinetic equation for the calculation of neoclassical effects
本文件的目的是找到一个具体的，简化的假设下的gyrokinetic方程的解析解。我考虑的情况是，在磁岛链的存在下，碰撞等离子体。磁岛的存在导致扰动场的发生，特别是静电场，其梯度长度尺度与岛的宽度相当。当岛的宽度w与离子的拉莫尔半径rho_i相当时，漂移动力学方程不足以处理输运和计算新古典效应。不管怎样，我还是要用S. P. Hirshman和D. J. Sigmar在评论论文“Neoclassical transfer of impurities in tokamak plasmas”中提出，该论文是为求解不同碰撞状态下的漂移动力学方程而开发的。我首先要回顾一下漂移动力学理论，它主要用于研究磁化等离子体中的经典和新经典输运。然后我将转向回转动力学理论，它带来了一个更复杂的动力学方程，我将通过应用赫什曼和西格玛尔以前使用的方法来解决它。
2016-06-15 physics.plasm-ph
AI-Accelerated Gyrokinetic Predictions of Turbulent Transport for Stellarator Design Optimization and Experimental Planning
Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）；Type One Energy；California Institute of Technology（加州理工学院）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）；Princeton University（普林斯顿大学）；University of Wisconsin, Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本文利用AI替代模型加速仿星器湍流输运预测，实现磁平衡优化与输运求解加速，并通过AI智能体自动探索目标与超参数，发现改进的湍流优化磁平衡。
2026-09-25 physics.plasm-ph
Multiscale Gyrokinetics for Rotating Tokamak Plasmas: Fluctuations, Transport and Energy Flows
本文提出了一个完整的托卡马克等离子体湍流和输运的理论框架。等离子体湍流中存在的基本尺度分离被编码为回转半径与平衡尺度长度之比的渐近展开。在此展开中逐阶进行，开发了等离子体湍流的框架。它包括一个瞬时的平衡，在平衡量的梯度驱动的波动，和这些量的平均配置文件的波动驱动的运输时间尺度的演变。平衡分布函数是局部麦克斯韦函数，每个通量面作为一个刚体作环形旋转。由旋转等离子体的Grad-Shafranov方程得到磁平衡，由安全因子q的演化方程给出磁场的慢（电阻）演化。新古典理论给出了分布函数与麦克斯韦分布函数的大尺度偏差。的波动是由高流量的回旋方程，从中我们推导出的控制原则，在托卡马克回旋湍流：守恒和本地级联的自由能。导出了平均密度、温度和流速分布演化的输运方程。这些输运方程显示了新古典修正和涨落是如何通过通量和加热作用于平均廓线的。导出了平均轮廓的能量和熵守恒定律。总能量守恒，没有净湍流加热。熵是由通量平坦梯度、欧姆加热和平均温度平衡的作用产生的。最后，在低马赫数极限下，将这个框架压缩成一组适于数值实现的简明方程。
2013-12-02 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulations of the effects of magnetic islands on microturbulence in KSTAR
该研究通过回旋动理学模拟揭示 KSTAR 中磁岛增强 ITG 湍流粒子与热输运的机制，并在频谱和波矢谱上与实验定量吻合。
2025-01-08 physics.plasm-ph
Reduced models for ETG transport in the pedestal
本文报道了电子温度梯度（ETG）驱动的基座输运简化模型的发展。模型的开发是通过一组61个非线性陀螺动力学模拟与输入参数取自在广泛的实验方案的实验室。模拟数据已被整合到一个新的数据库中，用于陀螺动力学模拟数据，多尺度陀螺动力学数据库（MGKDB），以方便分析。建模方法可以被认为是标准的准线性混合长度过程的推广。参数η，密度与温度梯度尺度长度的比率，成为制定有效饱和规则的关键参数。在单阶单位拟合系数下，模型的均方根误差为15%。还描述了ETG颗粒通量的类似模型。我们还提出了简单的代数表达式的传输通知符号回归算法。
2022-01-19 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
