Strong "quantum" chaos in the global ballooning mode spectrum of three-dimensional plasmas
强非轴对称环形系统中理想磁流体动力学（MHD）压力驱动（气球状）模的谱很难用数值方法分析，这是由于缺乏固有尺度长度导致的理想MHD的奇异性。本文利用$k$ -空间截断正则化理想MHD，使WKB气球形式的射线追踪成为混沌Hamilton台球问题。用Weyl公式估计了用全局本征值码求解环形局部气球模所需的环形傅里叶谱的最小宽度。这种相空间体积估计方法适用于两个仿星器的情况。
2001-02-21 nlin.CD physics.plasm-ph
Rotation of Tokamak-Plasmas out of Mechanical Equilibria, in Absence of External Torques
利用Prigogine建立的热力学定理，研究了托卡马克等离子体的旋转，而不是在机械平衡。这个定理，适用于环形约束等离子体，表明全球重心旋转的等离子体，在环向和极向方向，是纯粹的可逆过程。在粘性可以忽略不计的情况下，通过假设内力平衡方程的有效性，我们证明了等离子体，即使不处于力学平衡，也可以作为一个刚体在环向自由旋转，其角频率为，其角频率可能高于新古典估计。此外，它的环向旋转可能导致等离子体在极向方向上以比新经典理论所发现的表达式更快的速度全局旋转。当环向和极向角频率达到使耗散最小的值时，获得最终的配置。
2012-11-13 physics.plasm-ph
Spectrum of multi-region-relaxed magnetohydrodynamic modes in topologically toroidal geometry
本文给出了计算磁约束环形等离子体线性化扰动的稳定和不稳定本征模谱问题的一般公式。分析是基于一个新的磁流体动力学模型，多区域松弛磁流体动力学（MRxMHD），该模型的等离子体磁场系统作为多个区域组成，包含可压缩的欧拉流体和泰勒松弛磁场，分离的灵活的理想MHD电流片。这是说明使用第一性原理分析的两个区域板的几何形状，与周期性的边界条件来模拟典型的托卡马克或反向场箍缩等离子体的外部区域。计算了对撕裂模和扭结撕裂模不稳定的等离子体的最低和次低本征值。非常接近边际稳定性的最低模式使用不可压缩近似的动能归一化本研究中得到的对应于在以前的研究中发现的特征值较少的物理归一化。
2016-11-15 physics.plasm-ph
Piecewise omnigenous magnetohydrodynamic equilibria as fusion reactor candidates
Laboratorio Nacional de Fusión, CIEMAT（CIEMAT 国家聚变实验室）；Universidad Carlos III, Madrid（马德里卡洛斯三世大学）；Princeton University, New Jersey, USA（美国新泽西州普林斯顿大学）
本文提出一种满足理想磁流体动力学平衡方程的分段全向仿星器磁场配置，实现了前所未有的分段全向性，从而在降低径向输运、自举电流和快离子损失的同时保持磁流体动力学稳定性，满足可行聚变反应堆候选的物理标准。
2026-06-02 physics.plasm-ph
Semi-Implicit Stellarator Magnetohydrodynamics with Nodal Spectral Elements
University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
针对仿星器中线性不稳定的MHD模式，提出基于节点谱元法和傅里叶表示的半隐式MHD计算新方法，实现了非轴对称配置的精确模拟，并通过线性与非线性验证。
2026-06-26 physics.comp-ph physics.plasm-ph
The shear Alfvén continuum with a magnetic island chain in tokamak plasmas
用理想磁流体力学（MHD）理论研究了单岛链托卡马克的剪切阿尔文连续谱。我们已经考虑到环形几何形状和环形模式耦合的岛屿被认为是一个高度成形的仿星器。由于其极轴和环轴的不对称性，各种新的频率间隙在岛内部打开，例如螺旋诱导的阿尔文本征模（MAE）间隙和螺旋诱导的阿尔文本征模（HAE）间隙。我们已经表明，MAE间隙作为外环形阿尔文本征模（TAE）间隙到岛的延续。然而，随着岛屿的增长，合并的TAE/MAE间隙变得越来越窄，只剩下其原始宽度的一半，中等岛屿大小高达小半径的3.2%。此外，二维本征函数的连续模式的下尖端的MAE间隙现在有高度本地化的结构周围的岛屿的长轴，相反，通常的振荡的全球解决方案发现没有或低水平的环形不对称性-一个迹象表明的连续谱变得离散和密集。这些结果的频率，模式结构和连续阻尼的全球TAE驻留在间隙的影响。
2022-11-22 physics.plasm-ph
Analytic Hall Magnetohydrodynamics toroidal equilibria via the energy-Casimir variational principle
本文基于能量-Casimir变分原理推导了霍尔磁流体动力学轴对称等离子体平衡方程，获得Grad-Shafranov-Bernoulli型方程组的两族解析解，并证实了离子速度面与磁面的分离有利于等离子体约束。
2023-07-29 physics.plasm-ph
Invariant regimes of Spencer scaling law for magnetic compression of rotating FRC plasma
本文通过NIMROD模拟与Spencer一维理论对比，证明旋转FRC磁压缩的压强和半径标度在压缩比达6时保持不变，并揭示其源于角动量守恒。
2024-06-11 physics.plasm-ph
Magnetohydrodynamic equilibria of a cylindrical plasma with poloidal mass flow and arbitrary cross section shape
本文在理想磁流体力学理论的框架内研究了具有任意形状截面的纯极向质量流圆柱形等离子体的平衡问题。对于所考虑的系统，它表明，只有不可压缩流是可能的，因此，一般的二维流动平衡方程减少到一个单一的二阶拟线性偏微分方程的极向磁通量函数$ψ$，其中出现四个轮廓泛函的$ψ$。除了当与极向磁场的阿尔文速度有关的马赫数模为1时出现奇点外，该方程总是椭圆的，并允许构造几类解析解。研究了等离子体在理想导电圆柱边界内的精确等离子体方程，得到了等离子体方程中电流密度平坦和电流密度峰值的精确等离子体方程。
1996-08-27 physics.plasm-ph plasm-ph
Magnetic Fields with General Omnigenity
本文在DESC中提出新模型以探索广义全约束平衡空间，证明虽除准对称外精确全约束不可实现，但仍可设计出低输运、低快粒子损失的非准对称仿星器磁场。
2024-04-03 math.OC physics.plasm-ph
On axisymmetric MHD equilibria with incompressible flows under side conditions
在磁流体力学的框架下，在各种物理相关的边条件下，研究了轴对称平衡与不可压缩流的任意方向。为此，一组相关的非线性常微分方程被转化为准线性的和相应的初始值问题的数值求解与适当确定的初始值附近的磁轴。几个平衡，然后构建表面的表面。非场向流动导致了单磁轴、等离子体被限制在一对磁表面内的环形壳结构和双壳状结构的新结构。此外，流动影响磁表面的伸长和三角形。
2007-04-13 physics.plasm-ph
Multitoroidal configurations as equilibrium flow eigenstates
本文利用理想磁流体力学方程组的精确解，研究了轴对称磁约束等离子体的平衡本征态。该研究包括“可压缩”的流动与恒定的温度，但在磁性表面上的密度变化和不可压缩的恒定的密度，但在其上的温度变化。在这两种情况下，本征函数的形式为Psi_{nl} = Z_1（z）R_n（R）（1，n= 1，2，.）描述了具有1 × N磁轴的配置。通过改变流动参数，磁拓扑的改变是可能的。此外，随着磁表面密度和温度的变化，流动和纵横比对Shafranov位移的影响进行了评估。
2004-11-15 physics.plasm-ph
An Alfvenic reconnecting plasmoid thruster
介绍了一种新的空间推进推力产生方案。当磁螺旋（链接磁场线）被注入环形通道时，高能推力以等离子体团（封闭磁回路中的受限等离子体）的形式产生。利用一种新的静态电场和磁场的配置，该概念利用电流片的不稳定性，通过磁重联自发地和连续地产生等离子体团。利用扩展的磁流体动力学模型，对产生的低温等离子体进行了全局环形模拟。由于系统大小的等离子体团是从重连点流出的阿尔芬外流，其推力与磁场强度的平方成比例，并且不理想地依赖于等离子体的离子种类的质量。排气速度在20至500公里/秒的范围内，可控的线圈电流，在模拟中观察到。
2020-11-09 physics.plasm-ph
Axisymmetric equilibria with anisotropic resistivity and toroidal flow
在磁流体力学框架下研究了具有各向异性电阻率和环形流动的轴对称磁约束等离子体的平衡问题。定态由极向磁通量函数的椭圆微分方程、压强的伯努利方程以及平行于和垂直于磁场的电阻率分量的两个关系式确定。本文用本征函数和精确解研究了矩形截面托卡马克中磁表面上温度不变但密度变化的“可压缩”流和磁表面上温度不变但密度不变的不可压缩流的平衡特性。这些本征函数可以描述单个或多个环形配置。在前一种情况下的平衡具有以下特点：（i）的轮廓的电阻率的组件上的极向横截面上大致碰撞（ii）的电场垂直于磁表面具有两个局部极值内的等离子体和消失的边界上和（iii）的环形电流密度的峰值接近磁轴和消失的边界上。对于“可压缩”和不可压缩流，评估了流和纵横比对上述量的影响。
2005-06-16 physics.plasm-ph
Generalised action-angle coordinates defined on island chains
直场线坐标对于表示环形约束等离子体中的磁场是非常有用的，但是由于岛屿和混沌场区域的形成，即不可积性，关于它们在3-D几何中的定义出现了根本问题。在哈密顿动力系统中，这些坐标是作用角变量的一种形式，通常只在可积系统中定义。为了描述3-D磁场系统，这一概念的推广最近提出了由本作者，统一的鬼面和二次通量最小化（QFMin）表面的概念。这是基于由变量$θ= θ(Θ,ζ)$的变化产生的简单正则变换，其中$θ$和$ζ$分别是极向角和环向角，$Θ$是一个新的极向角，选择该极向角以给出伪轨道，该伪轨道a）在$ζ,Θ$平面中绘制时是直的，b）在变换坐标中是QFMin伪轨道。这两个要求确保伪轨道也是c）鬼伪轨道。在本文中，它表明，这些要求不\emph{uniquely}指定的变换，由于重新标记的对称性。提出了一种解决方案，消除这种缺乏唯一性的变分方法。
2012-12-01 nlin.CD physics.plasm-ph
Taylor-Couette Flow of Unmagnetized Plasma
在等离子体库埃特实验中，已经产生了非磁化的高导电等离子体的差分旋转流。以前，热阴极已被用来控制等离子体旋转的搅拌技术[C。Collins等人，物理修订信函108，115001（2012）]的外圆柱形边界上-这些等离子体几乎是刚性转子，仅通过中性粒子阻力的存在进行修改。实验现在已经扩展到包括搅拌从内边界，允许广义的圆形Couette流和开放的路径，流体动力学和磁流体动力学实验，以及等离子体粘度的基础研究。等离子体被限制在圆柱形、轴对称、多尖磁场中，具有$T_e< 10$ eV、$T_i<1$ eV和$n_e<10^{11}$ cm $^{-3}$。氦、氖、氩和氙等离子体中的边缘${\bf J \times B}$扭矩驱动方位流（高达12 km/s，$M=V/c_s\sim 0.7$），实验已经实现了$Rm\sim 65$和$Pm\sim 0.2 - 12$。我们提出了一个自洽的，旋转引起的，依赖于物种的径向电场，它与压力梯度一起提供的向心加速度的离子的测量。最大流速与Alfvén临界电离速度成比例，这发生在部分电离的等离子体中。还探讨了在实验几何形状和可实现的参数的背景下的流体动力学稳定性分析。
2014-04-12 physics.plasm-ph
Axisymmetric equilibria of a gravitating plasma with incompressible flows
研究发现，轴对称重力磁约束等离子体的理想磁流体动力学平衡是由一个二阶椭圆型微分方程控制的极向磁通量函数包含五个通量函数耦合的泊松方程的引力势，和一个代数关系的压力。这组方程可求得解析解.作为应用，Krasheninnikov，Catto和Hazeltine最近导出的极向等离子体电流消失的磁偶极子静态轴对称平衡[Phys. Rev. Lett. { \bf 82}，2689（1999）]的方法扩展到具有有限极向电流的等离子体，受到来自大质量物体（恒星或黑洞）的引力和由于不可压缩剪切流而产生的惯性力的影响。在两个区域中获得了显式解：（a）在低能区域$β_0\approx γ_0\approx δ_0 \approxε_0\ll 1$中，其中$β_0$、$γ_0$、$δ_0$和$ε_0$分别与归一化到极向磁场能量的热、极向电流、流动和引力能量有关，以及（b）在高能区域$β_0\approx γ_0\approx δ_0 \approxε_0\gg 1$中。事实证明，在高能区，所有四种力，压力梯度、环形磁场、惯性力和引力，对磁表面的形成都有同样的贡献，这些磁表面在对称平面上非常扩展和局部化，因此所产生的平衡类似于天体物理学中的吸积盘。
2001-04-23 physics.plasm-ph
Coronal Heating Topology: the Interplay of Current Sheets and Magnetic Field Lines
在约化磁流体动力学机制下，研究了纳米片加热磁约束日冕的磁拓扑和磁力线随机游走特性。场线起源于电流片形成相干结构，称为电流片连接（CSC）区域，围绕它们延伸。CSC场线随机游走具有强各向异性，沿电流片的面内长度方向优先扩散。CSC场线的随机游走性质保持类似的整个合奏，但表现出增强的均方位移和分离，由于较强的磁场强度在CSC地区。粒子加速和太阳日冕和风的热传输，太阳苔藓的形成的影响进行了讨论。
2017-06-27 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The Madison plasma dynamo experiment: a facility for studying laboratory plasma astrophysics
麦迪逊等离子体发电机实验（Madison plasma dynamo experiment，MPDX）是一种新型的、多功能的等离子体基础研究装置，用于研究流动驱动的磁流体动力学（MHD）不稳定性和其他具有天体物理相关参数的高$β$现象。一个3米直径的真空容器内衬36圈交替取向的4000 G钐钴磁铁，产生一个轴对称的多尖，其中包含$\sim$ 14米$^{3}$的几乎磁场自由等离子体，是很好的限制和高度电离$(>50\%)$。目前，将8个六硼化镧（LaB $_6$）阴极和10个钼阳极插入容器中，并将其偏置到500 V，每个阴极引出40 A，电离低压Ar或He填充气体并对其进行加热。计划使用高达100 kW的电子回旋加热（ECH）功率用于额外的电子加热。LaB $_6$阴极位于磁化边缘，通过传播到未磁化堆芯等离子体中的${\bf J}\times{\bf B}$扭矩来驱动环形旋转。MPDX的发电机研究需要一个高的磁雷诺数$Rm > 1000$，和一个可调的流体雷诺数$10< Re <1000$，在该制度下，流动的动能超过磁能（$M_A^2=($ v $/$ v $_A)^2 > 1$）。从MPDX的初步结果，提出了一个0维功率和颗粒平衡模型来预测粘度和电阻率，以实现发电机的行动。
2014-01-07 physics.plasm-ph
Modeling the Parker instability in a rotating plasma screw pinch
我们分析和数值模拟研究的帕克（磁浮力）不稳定性在均匀旋转的等离子体螺旋箍缩限制在一个圆柱体。施加均匀的等离子体旋转以产生离心加速度，其模仿经典帕克不稳定性所需的重力。本研究的目的是确定如何帕克不稳定性可以明确地确定在弱磁化，快速旋转的螺旋箍缩，其中的旋转提供了一个有效的重力和径向变化的方位场控制，以提供条件，使等离子体是磁浮力向内运动。我们表明，轴向磁场也需要规避传统的电流驱动的磁流体动力学（MHD）的不稳定性，如香肠和扭结模式，将掩盖帕克不稳定性。这些条件可以在麦迪逊等离子体库埃特实验（Madison Plasma Couette Experiment，MPCX）中实现。使用扩展的MHD代码NIMROD等温可压缩等离子体模型进行模拟。线性和非线性制度的不稳定性进行了研究，并得到的线性制度的结果进行了比较，从板的几何形状的分析结果。在此基础上，发现在圆柱形箍缩中，在较大马赫数（M> 5）时，磁浮力机制占主导地位，而在较低马赫数（M <1）时，不稳定性是由于磁场线的弯曲。在中间值的马赫数（1 <M <5）的科里奥利力有一个强大的稳定作用的等离子体。一个可能的方案，在MPCX的帕克不稳定性的实验演示进行了讨论。
2012-05-21 physics.plasm-ph
Chaotic behavior of Eulerian MHD turbulence
在欧拉坐标系下，利用直接数值模拟方法研究了湍流导电流体的混沌特性。最大李雅普诺夫指数测量模拟与不同的雷诺数和磁普朗特数。我们扩展的Ruelle理论的流体动力学湍流磁流体动力学湍流作为一个工作假设，并找到广泛的协议与结果。在其他模拟中，我们引入了磁螺旋度，这些模拟显示出减少的混乱，预计将被消除在最大螺旋度。我们还发现，两个最初接近的字段之间的差异线性增长的后期，这也是最近发现的流体力学。这种线性增长率被认为是依赖于相关领域的耗散率。我们讨论了这种线性增长对可预测性的重要影响。我们推断系统中的混沌完全由速度场主导，并将这项工作与太阳天气和受限等离子体等实际磁系统联系起来。
2019-04-08 astro-ph.CO nlin.CD physics.flu-dyn
Gravitational instability of the primordial plasma: anisotropic evolution of structure seeds
我们研究如何存在的背景磁场，强度与目前的观测约束兼容，影响线性演化的宇宙学密度扰动尺度低于哈勃半径。磁场提供了可以防止给定扰动增长的附加压力;然而，磁压力仅限于与场正交的平面。结果表明，系统的“金斯长度”不仅与涨落的波长有关，而且与涨落的方向有关，微扰演化是各向异性的。我们推导出这一结果的分析和支持它的直接数值积分的相关理想磁流体力学方程在物质主导的时代。在复合之前，动压占主导地位，扰动以标准方式演化，而在此之后，磁压占主导地位，我们观察到各向异性演化。我们量化这种影响，估计偏心率$ε$的高斯扰动在坐标空间中，是球对称的重组。对于亚星系尺度的扰动，我们发现$ε= 0.7$在$z=10$采取$10^{-9}$高斯级的背景磁场。
2012-11-12 astro-ph.CO physics.plasm-ph
Pseudostreamer influence on flux rope evolution
太阳活动的一个关键方面是喷发与周围日冕磁场之间的耦合，这决定了喷发事件的轨迹和形态。伪流光（PS）是日冕磁场结构，由双线圈弧形成，由来自相同极性的日冕洞的磁场线覆盖，并在中央脊处相遇。它们在脊柱中包含一个单一的磁零点，可能会影响附近通量绳（FR）的演变。要了解PS对FR喷发的净效应，首先需要研究不同的和孤立的FR-PS情景，这些情景不受其他磁结构的影响。我们进行了数值模拟，其中FR结构是在附近的PS磁配置。PS和FR的组合磁场导致形成两个磁零点。我们通过数值求解2.5D的磁流体动力学方程来发展这种情况。模拟考虑了一个完全电离的可压缩理想等离子体中存在的引力场和分层大气。我们发现，FR的动态行为可以分为三个不同的类的基础上的FR轨迹，它是否是爆发或局限。我们的分析表明，磁零点是决定的方向和强度的FR偏转和他们的层次结构取决于拓扑安排的情况。此外，PS瓣作为一个磁笼包围FR。我们报告说，总的无符号磁通量的笼是一个关键参数，定义是否FR被弹出或不。
2022-05-16 astro-ph.SR physics.plasm-ph
