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
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
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
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
Gyrokinetic theory for particle transport in fusion plasmas
导出了描述热核等离子体中粒子和能量宏观输运随能量约束时间变化的方程组。由此导出的方程允许自洽地研究碰撞和湍流输运，保留磁场几何形状的影响，而不假设参考状态和波动之间的任何尺度分离。以前，假设尺度分离，输运方程已经通过多尺度扰动分析和时空平均从动力学方程导出。在这项工作中，演化方程的分布函数的时刻得到以下的标准方法，同时，gyrokinetic理论已被用来明确表示的波动感应通量。以这种方式，可以使用标准的一阶陀螺动力学推导出用于粒子和能量的传输到传输时间尺度的方程。
2017-10-18 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
A Gyrokinetic Simulation Model for Low Frequency Electromagnetic Fluctuations in Magnetized Plasmas
本文提出了一个新的模型，用于模拟在一般磁位形中等离子体中频率远低于离子回旋频率的电磁涨落。这个新的模型（称为GK-E&B）采用非线性陀螺方程制定的电磁场以及动量平衡方程求解领域。因此，它不仅包括动力学效应，如波粒相互作用和微观（离子拉莫尔半径尺度）物理;而且在计算上比传统的公式描述的潜力更有效。作为一个基准，我们进行线性以及非线性模拟的动力学阿尔芬波，演示物理与分析理论。
2020-11-18 physics.plasm-ph
Gyrokinetic Theory of Low-frequency Electromagnetic Waves in Finite-$β$ Anisotropic Plasmas
本文提出了有限$β$各向异性均匀等离子体中频率远低于离子回旋频率的电磁波和不稳定性的回旋动力学理论。这里，$β$是等离子体压力和磁压力之间的比率。分析中充分保留了有限拉莫尔半径和波粒共振引起的动力学效应。相应的线性色散关系和波的偏振，有效的一般$β$值和垂直波长，然后具体推导了双麦克斯韦等离子体。给出了动力学不稳定性判据和镜像不稳定性判据的解析表达式。模式的频率，稳定性和波偏振的一个广泛的频谱正常模式，然后在一组参数的系统研究中进行了数值研究。我们的研究清楚地表明，由于有限离子的拉莫尔半径效应，离子声波，镜像模式，和剪切阿尔芬波本质上耦合。
2022-03-24 physics.plasm-ph
Resolving velocity space dynamics in continuum gyrokinetics
许多天体物理和聚变团体感兴趣的等离子体是弱碰撞的。在这样的等离子体中，小尺度可以在粒子速度的分布中发展，潜在地影响可观测的量，例如湍流通量。因此，在陀螺动力学仿真中有必要监控速度空间分辨率。在本文中，我们提出了一套计算有效的诊断测量速度空间分辨率的陀螺动力学模拟，并将其应用到一系列的等离子体物理现象使用连续体陀螺动力学代码GS 2。对于这里考虑的情况下，它被发现，使用的碰撞性或低于实验值允许等离子体动力学的分辨率与相对较少的速度空间网格点。此外，我们描述了一个自适应的碰撞频率，可用于提高速度空间分辨率的碰撞制度，其中的结果预计是独立的碰撞频率的实现。
2009-07-25 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
A fast low-to-high mode bifurcation dynamics in a tokamak edge plasma gyrokinetic simulation
输运势垒的形成及其与流体和等离子体中剪切流的关系在各种自然和实验室观测中具有根本意义，并且在磁聚变装置中实现经济的能量生产中具有至关重要的意义。在这里，我们报告的第一个观察到的边缘输运势垒形成事件中进行了一个现实的托卡马克边缘几何形状的gyrokinetic模拟。结果表明，湍流Reynolds应力驱动的剪切ExB流与新经典轨道损失协同作用，抑制湍流输运，并在最后一个闭合磁通量表面内部形成输运势垒.
2017-05-08 physics.plasm-ph
AWECS: A Linear Gyrokinetic Delta-f Particle-in-Cell Simulation Code for the Study of Alfvenic Instabilities in High-Beta Tokamak Plasmas
开发了一个一维线性回旋动力学程序AWECS，用于研究高β托卡马克等离子体中Alfvenic不稳定性的动力学激发，β为热压力与磁压力之比。它旨在描述与广泛的频率和波长相关的物理学。例如，AWECS能够模拟动力学气球模式，阿尔芬离子温度梯度驱动模式，以及由于高能粒子的阿尔芬不稳定性。此外，AWECS可用于研究低β区的漂移-阿尔芬不稳定性。在这里，代码的布局和所使用的数值方法进行了说明。AWECS是基准对其他代码和收敛性研究进行。
2008-06-27 physics.plasm-ph
Gyrokinetic turbulent transport simulations on steady burning condition in D-T-He plasmas
National Institute for Fusion Science, National Institutes of Natural Sciences（国立研究开发法人 国立科学研究所 核聚变科学研究所）；The Graduate University for Advanced Studies（高等研究院）；PRESTO, Japan Science and Technology Agency（日本科学技术振兴机构 PRESTO项目）；Graduate School of Engineering, Kyoto University（京都大学 工学研究科）
本文通过反磁动力学-Vlasov模拟研究了D-T-He等离子体中由ITG和TEM驱动的湍流输运，揭示了稳态燃烧条件下粒子流的不平衡现象，并首次识别了满足Reiter条件的剖面状态。
2026-02-26 physics.plasm-ph
First principles gyrokinetic analysis of electromagnetic plasma instabilities
本文在回旋动力学理论的框架内对电磁堆芯托卡马克不稳定性进行了双重分析。第一原理的理论基础的gyrokinetic理论被用来解释和证明与全球电磁粒子在细胞的代码Orb5，其模型是来自拉格朗日形式主义的数值结果。对应于Orb5模型的能量守恒定律是从Noether定理推导出来的，并在代码中实现为能量平衡和守恒验证的诊断。一个额外的诺特定理为基础的诊断实施，以分析不稳定的机制，在托卡马克的核心区域的静电和电磁离子温度梯度（ITG）的不稳定性。研究了高电磁场$β$下向动力学振荡模（KBM）的转变。
2019-03-26 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
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 prediction of core tungsten peaking in a WEST plasma with nitrogen impurities
本文通过全f回旋动理学模拟预测WEST等离子体芯部钨峰化，发现氮杂质虽降低新经典峰化但会削弱湍流屏蔽而增强总体钨峰化，为ITER电流爬升阶段杂质注入与ECRH加热策略提供依据。
2024-10-18 physics.plasm-ph
Neoclassical transport of tungsten ion bundles in total-f neoclassical gyrokinetic simulations of a whole-volume JET-like plasma
本文在全f回旋动理学模拟中提出钨离子捆绑方法以高效模拟多种电荷态，并在全体积类JET等离子体中揭示了钨在台基顶部的积累机制及其与极向不对称性和温度屏蔽效应的关系。
2024-10-18 physics.plasm-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
Variational Formulation of a Hybrid Kinetic and Gyrokinetic Model for Astrophysical and Laboratory Plasmas
KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Max Planck Institute for Plasma Physics（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）；Ruhr-University Bochum（波鸿鲁尔大学）
该研究针对太阳风电磁湍流，提出含全动理学离子与 gyrokinetic 电子的拉格朗日模型，采用一致数学形式，通过高阶李变换微扰方法与变分法实现高效描述高频波和动理学电子效应的模型。
2026-07-31 physics.plasm-ph
Multiscale Gyrokinetics for Rotating Tokamak Plasmas II: Reduced Models for Electron Dynamics
在本文中，我们扩展了[Abel et.例如，代表计划物理、提交]通过利用离子和电子之间的尺度分离。将回旋动力学方程展开为电子与离子质量比的幂，从而为导出约化电子模型提供了一种严格的方法。我们证明了离子尺度的电磁扰动不会改变磁拓扑结构，并认为最低阶的磁场位于涨落通量面上。这些通量表面被用来构建磁坐标，并在这些坐标系中的电子响应离子尺度湍流的方程的封闭系统的推导。所有快电子时标都已从这些方程中消除。我们还使用这些磁表面构造的约化电子模型的电子和电子热的输运方程。
2013-02-28 physics.plasm-ph
An E & B Gyrokinetic Simulation Model for Kinetic Alfvén Waves inTokamak Plasmas
回旋粒子模拟是研究托卡马克等离子体中输运、非线性现象和高能粒子物理的有力工具。虽然大多数陀螺动力学模拟都使用标量和矢量势，但通过使用一般和全面形式的E和B场开发了一种新模型（GK-E&B），并已用于模拟均匀等离子体中的动力学Alfvén波[Chen et al，Science China Phys. Mechanics & Astronomy 64（2021）]。在我们的工作中，Chen等人的GK-E&B模型已经在一般托卡马克几何中明确地使用特定坐标表示。数值结果与Chen等人的工作吻合较好，理论色散关系与局部螺旋箍缩模型的数值结果吻合较好。数值结果表明，在一个现实的参数制度的燃烧等离子体在高值的$β/( M_e k_\perp^2 ρ_i^2)$，这是传统的方法，由于"取消“的问题具有挑战性的优异性能。作为一个应用，GK-E&B模型在局部极限中用动力学电子实现。在匹配ITPA-TAE参数的情况下，数值结果表明GK-E&B能处理实际托卡马克等离子体参数的平行电子朗道阻尼。作为另一个应用，GK-E&B模型的实施与占主导地位的电子贡献$E_\|$在冷电子限制。它的能力，在模拟有限的$E_\|$由于有限的电子质量被证明。
2021-11-11 physics.plasm-ph
A High-order piecewise field-aligned triangular finite element method for electromagnetic gyrokinetic particle simulations of tokamak plasmas with open field lines
Max Planck Institute for Plasma Physics（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）；Max Planck Computing and Data Facility（马克斯·普朗克计算与数据设施）
本文提出一种高阶分段场对齐三角有限元方法，用于高效模拟托卡马克等离子体中的电磁旋磁粒子-网格问题。
2026-02-03 physics.plasm-ph
A Gyrokinetic 1D Scrape-Off Layer Model of an ELM Heat Pulse
应用静电回旋动力学模型来模拟平行的等离子体传输的刮除层偏滤器板。作者专注于一个测试问题，以前已经研究过，使用的参数选择来模拟热脉冲驱动的边缘本地化模式（ELM）在JET。以前的工作已经使用了直接的粒子在细胞方程与完整的动力学，或弗拉索夫或流体方程只有并行动力学。随着使用的回旋准中性方程和逻辑鞘边界条件，空间和时间分辨率的要求不再设置由电子德拜长度和等离子体频率，分别。这个测试问题也有助于说明一些物理包含在哈密顿形式的gyrokinetic方程和一些数值的挑战，在开发一个边缘gyrokinetic代码。
2015-01-13 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
Modelling the Lagrangian of magnetized plasmas with low-frequency magnetic perturbations by a gyrokinetic Ampere-Poisson model
按照Ref. (1)本文引入了粒子坐标系上的基本拉格朗日1-形式，它决定了低频磁扰动下磁化等离子体中所有离子和电子的动力学行为。一个安培-弗拉索夫模型被用来模拟这种基本的拉格朗日1-形式的基础上的一种粗粒度的计划。利用Cary-Littlejohn单参数Lie变换方法，通过对质点坐标系下的基本拉格朗日1-形式进行变换，得到了陀螺心坐标系下新的基本拉格朗日1-形式。这个新的1-形式决定了所有离子和电子在陀螺中心坐标上的动力学。提出了一种完全定义在陀螺中心坐标系上的新的Ampere-Vlasov模型来模拟新的拉格朗日1-形式。通过将静电微扰引入拉格朗日1-形式，我们最终得到了一个定义在陀螺中心坐标上的Ampere-Poisson-Vlasov模型。
2017-04-30 physics.plasm-ph
The gyrokinetic field invariant and electromagnetic temperature-gradient instabilities in `good-curvature' plasmas
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
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
Energetic Consistency and Momentum Conservation in the Gyrokinetic Description of Tokamak Plasmas
陀螺运动场论是在一般哈密顿量的背景下解决的。背景磁几何是静态的和轴对称的，并且拉格朗日量对动力学变量的所有依赖都是在哈密顿量或自由场项中。场的方程由函数导数给出。通过哈密顿量的对称性与时间和几何的环角不变性导致能量和环动量守恒。在对涨落幅度的不同排序水平中，能量一致性是精确的。强调了这一点在支持守恒定律中的作用。局部输运方程的涡量，环动量，和能量的推导。特别是，动量方程示出任何形式的哈密尔顿表现良好，并放宽其磁流体动力学（MHD）的形式时，采取长波长近似的哈密尔顿。目前使用的几种形式，这些形式的基础上，大多数全球性的模拟，被证明是很好地定义内的gyrokinetic场论和精力充沛的一致性。
2010-10-11 physics.plasm-ph
Formulation and verification of multiscale gyrokinetic simulation of kinetic-MHD processes in toroidal plasmas
UC Irvine（加州大学尔湾分校）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）；KAIST（韩国科学技术院）；Aix-Marseille Université（艾克斯-马赛大学）；University of California, San Diego（加州大学圣地亚哥分校）；University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；Peking University（北京大学）
本文提出并验证了多尺度磁旋动能学模拟模型，用于研究磁约束等离子体中的低频波和湍流，通过统一处理所有动能-磁流体动力学过程。模型通过分离电子响应为解析和非解析部分，有效求解电子漂移动能方程，并用于验证DIII-D托卡马克内部环形模的模拟。
2026-04-07 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
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
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
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
Energetic bounds on gyrokinetic instabilities. Part I: Fundamentals
本文导出了陀螺动力学中自由能增长的上界。这些界限适用于所有局部回旋动力学不稳定性的几何形状的磁通管，即一个细长的体积的等离子体与磁场对齐，无论几何形状的字段，粒子种类的数量，或碰撞。结果适用于线性不稳定性和有限振幅波动的非线性增长。
2021-12-17 physics.plasm-ph
Kinetic-Ballooning-Limited Pedestals in Spherical Tokamak Plasmas
本文提出理论模型首次匹配NSTX台基Diallo标度实验，证明球形托卡马克台基约束由动理学气球模而非理想气球模限制，并建立回旋动理学临界台基约束及宽度-高度标度表达式。
2024-04-07 physics.plasm-ph
Gyrokinetic theory for particle transport in fusion plasmas
为了使核聚变成为一种可靠的能源，在磁约束实验中预测热核等离子体的动力学是基本的。发展一套描述等离子体在给定时间尺度上演化的方程是达到这一目标的主要要求。有限的工作是以自洽的方式研究碰撞输运和涨落诱导输运。这项工作的动机源于所采用的描述的自洽性的根本重要性，以了解运输过程的能量约束（运输）的时间尺度，因为碰撞和湍流之间的相互作用。反过来，这对于预测粒子和能量的通量以及最终的整体等离子体演化至关重要。利用通量坐标和漂移序，我们导出了一组粒子数和能量密度在输运时间尺度上的演化方程。这些方程显示了碰撞和波动之间的相互作用，特别是，表明波动可以增强碰撞输运，而碰撞可以阻尼由饱和不稳定性形成的长寿命结构，即带状结构。用回旋运动场论描述了涨落诱导通量，并与相空间带状结构理论进行了比较，揭示了输运方程中的涨落诱导部分可以通过对控制相空间带状结构演化的方程的长尺度极限取适当的矩来得到。最后，我们表明，等离子体的非线性演化可以产生的结构的形成，其特征在于由中尺度，中间的典型的等离子体湍流和参考等离子体平衡。
2017-01-09 physics.plasm-ph
Electromagnetic total-f algorithm for gyrokinetic particle-in-cell simulations of boundary plasma in XGC
本研究将XGC中原用于核心等离子体的简化delta-f混合变量/回拉电磁算法推广为可纳入边界等离子体的total-f电磁算法，通过类DIII-D的H模模拟验证其对提升电子输运模拟保真度的必要性。
2022-04-26 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
Plasma-neutral collision operators for hydrogen isotopes: kinetic and gyrokinetic descriptions, comparison to fluid
CEA, IRFM（法国原子能委员会，聚变研究和技术研究所）；Aix-Marseille Univ., CNRS, PIIM（艾克斯-马赛大学，法国国家科学研究中心，等离子体物理研究所）
该研究推导了氢等离子体与氢原子相互作用的动理学和 gyrokinetic 等离子体-中性粒子碰撞算子，发现其与流体模型存在显著差异，凸显了动理学效应在边缘等离子体动量能量交换中的重要性。
2026-10-14 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
Self-consistent gyrokinetic modelling of turbulent and neoclassical tungsten transport in toroidally rotating plasmas
本文利用全局非线性回旋动理学代码GYSELA模拟环向旋转下钨的湍流与新经典输运，揭示离心力导致的极向不对称、向内聚集及旋转扩散引发的向外湍流通量。
2023-04-25 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulations of neoclassical electron transport and bootstrap current generation in tokamak plasmas in the TRIMEG code
本研究在基于三角形网格的回旋动理学程序TRIMEG中实现简化洛伦兹碰撞算符，推导非结构化网格下的通量面平均计算方法，验证了其计算电子输运与自举电流的能力，为后续自洽纳入新经典效应奠定基础。
2023-06-13 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
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
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
Gyrokinetic ion and drift kinetic electron model for electromagnetic simulation in the toroidal geometry
电子的动力学效应对长波长磁流体动力学（MHD）不稳定性和短波长漂移Alfvenic不稳定性都很重要，因为非绝热电子可以与低频不稳定性相互作用，改变和驱动低频不稳定性。提出了一种新的守恒分裂权方法，用于托卡马克等离子体中漂移动力学电子的电磁场模拟，该方法在不牺牲物理特性的前提下，不受垂直网格尺寸对电子趋肤深度的数值约束，具有很大的计算优势.利用该模型验证了动力学Alfven波和无碰撞撕裂模的存在，并已将其应用于GTC程序中。该模型将用于微撕裂模和基于第一性原理的新经典撕裂模的模拟。
2017-02-05 physics.plasm-ph
Verification of long wavelength electromagnetic modes with a gyrokinetic-fluid hybrid model in the XGC code
作为动力学电子的替代选择，回旋动力学总f粒子单元（PIC）代码XGC 1已经通过将回旋动力学PIC离子与无质量漂移流体电子相结合而扩展到MHD/流体类型电磁区域，类似于Chen和Parker，Physics of Plasmas 8，441（2001）。两个代表性的长波长模式，剪切阿尔文波和电阻撕裂模式，在圆柱形和环形磁场的几何形状进行了验证。
2017-02-16 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
Reassessing the impact of megaelectronvolt ions in fusion plasmas via gyrokinetic simulations
通过回旋动理学模拟重新评估兆电子伏离子对聚变等离子体湍流抑制的影响，指出Mazzi等人结果因模拟分辨率不足而失真，修正后热导率显著增加，质疑其性能增强结论。
2023-06-19 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulation of the spontaneous toroidal rotation of plasma in a stochastic magnetic field
本文通过动理学模拟研究了随机磁场中等离子体的自发环向旋转，发现共振磁扰动通过双极径向电场驱动旋转，且碰撞效应在几次离子-离子碰撞时间后将其从回流转变为刚体流动，解释了DIII-D实验观测。
2024-06-02 physics.plasm-ph
Tractable flux-driven temperature, density, and rotation profile evolution with the quasilinear gyrokinetic transport model QuaLiKiz
准线性湍流输运模型是预测托卡马克堆芯等离子体分布的有效工具。他们的成功取决于当地的非线性gyrokinetic通量的再现。本文重点介绍了准线性回旋输运模型LiKiz [C. Bourdelle等人，2016年，血浆物理控制。Fusion 58 014036]，其采用模态结构的近似解，与全线性陀螺运动求解器相比，显著加快了计算时间。在集成建模应用程序中优化色散关系求解算法，使通量计算$\times10^{6-7}$比局部非线性模拟更快。这使得易于处理的模拟通量驱动的动态配置文件的演变，包括所有的传输通道：离子和电子热，主要粒子，杂质和动量。此外，LiKiz现在包括旋转和温度各向异性引起的极向不对称性对重杂质输运的影响，这对W输运应用很重要。在JETTO集成建模代码中的应用导致在10小时内使用10个CPU进行1秒的JET等离子体模拟。同时预测的核心密度，温度，和环形旋转配置文件的JET混合和基线实验，涵盖离子和电子湍流尺度。模拟成功地比较测量的配置文件，协议主要是在5-25%的范围内，根据标准的数字的优点。
2017-08-07 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
A very general electromagnetic gyrokinetic formalism
我们推导出一个gyrokinetic形式主义，这是非常普遍有效的：排序允许在长波长的等离子体流和磁场，像典型的漂移动力学理论，以及在陀螺仪尺度的波动大的不均匀性。基本的方法是为了涡量是小的，并断言，在当地等离子体帧的时间尺度是长的陀螺频率相比。与大多数其他推导不同，我们不单独处理涨落场的长波长和短波长分量;单场描述以统一的方式定义了粒子运动及其与小尺度、系统尺度和中间长度尺度电磁场的相互作用。在早期的文献中，工作包括确定一个坐标系的陀螺角相关的条款是小的，并使用近统一变换系统地找到一组坐标的陀螺角依赖消失。
2016-03-21 physics.plasm-ph
